一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于谐振网络的拓扑和参数的最优化方法，本发明专利技术是以双边LCCL(L‑电感，C‑电容)为基本拓扑，然后以损耗最小确定目标函数，使用计算机全局最优化算法在约束条件下对LCCL拓扑进行优化，能够优化出一种效率最高的谐振网络拓扑和参数。优化的目的是使传输效率最高，即谐振网络中元件的总损耗最小。因此使用全局最优算法能够筛选出效率最高的拓扑，同时得到该拓扑的最优参数。本发明专利技术具有广泛的适用性，能够解决谐振网络应用不匹配导致的传输效率不高、输入电压范围小等的问题，而且是利用算法优化，具有快速、计算简便、实际模型效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法
本专利技术涉及一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，属于无线充电谐振网络优化和计算机最优化算法领域。
技术介绍
近年来清洁环保的电动汽车收到消费者和政府的青睐，尤其电动汽车的续航能力逐渐提高，电动汽车的需求也越来越旺盛。无线充电技术作为电动汽车充电技术的一种，具有广泛的应用前景。在谐振式无线电能传输中，谐振网络具有非常关键的作用，其谐振拓扑的选择和参数优化都影响了整个充电电路的性能，但在实际应用中，没有一种全面合理的拓扑优化和参数优化方法，同时谐振网络的特性也没有完全研究透彻。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，以用于在含有谐振网络的电路中，利用计算机进行全局最优化算法，可以为谐振拓扑优化提供一种新思路的同时还意味着高效率。本专利技术的技术方案是：一种适用于谐振网络的拓扑和元件参数优化方法，其基本思路为：以双边LCCL拓扑作为谐振网络的基本拓扑，然后根据输入电压或者输入电流、输出电压或者输出电流、输出功率和谐振条件(L1和L2的电感值，耦合系数k，互感M和谐振频率ω)，以损耗最小为目标函数，可以得到原边和副边分别为LCCL、LCL、S、P和CCL五种拓扑的组合，相应的可以得到二十五种拓扑，如表2所示。每一种拓扑都满足给定的电压、电流、功率和谐振条件，相应地每一种拓扑都满足基尔霍夫电流定理(KCL)和基尔霍夫电压定理(KVL)，这就意味在满足上述条件和约束条件的情况下求的参数，它们都对应着相应的损耗，求出其损耗，在计算机存储中将该损耗标记保存，当最后计算机求出所有拓扑的满足条件的所有参数的损耗后，将标记好的损耗进行比较，得到最小损耗，从而得到该电压电流条件下的最优拓扑和最优参数。其算法流程图如图2所示。进一步地，所述的全局最优化算法拓扑优化是将电感和电容的参数调至零或者无穷，分别意示着开路和短路。对于电感而言，将电感值设为无穷大是开路，电感值设为零则是短路；对于电容而言，将电容值设为无穷大是短路，电容值设为零是开路。在将双边LCCL拓扑进行拓扑优化时就是将电感值或者电容值设为零或者无穷大，从而达到开路或者短路的目的。这样就可以将LCCL基本拓扑变为25种拓扑中的任意一种。进一步地，在求解谐振网络损耗和参数时，设定好约束条件，约束条件就是双边LCCL基本拓扑中的每个电感和电容的上限值和下限值，即使优化得到另外25种拓扑中的任意一种拓扑，该拓扑也要满足约束条件，约束条件如式(1)所示：在满足约束条件后，再根据式(2)所示的谐振条件和功率条件，进而求出该拓扑的参数。其中，P为传输功率，ω为谐振角频率，M为线圈L1和L2互感，I1为流过线圈L1的电流，I2为流过线圈L2的电流。假设双边LCCL拓扑对应n套相应的电感电容参数，则求解损耗时需要将该拓扑的等效电路求出，谐振网络等效电路求解是将谐振线圈L1和L2等效为T型电路，从而将模型的等效参数表示出来，根据KCL、KVL和损耗的计算公式—式(3)，再求出谐振电感和谐振电容的损耗，在求出所有拓扑的所有参数的所有损耗后，从而筛选出最低损耗，根据最低损耗判断最优拓扑和最优参数。式中，PLoss-L为单个电感的损耗，是铜损，是铁芯损耗，其中kFe是铁芯损耗系数，f是谐振频率，Bm是磁芯材料的最大磁通密度，V是磁芯的体积，α是与f相关的指数，β是与Bm相关的指数。电感Ls1、L1、L2和Ls2都可以通过上式计算出损耗。PLoss-C为单个电容的损耗，δ(f)表示电容器与频率f相关的损耗角函数，IC为流过电容的电流。PLoss-L-total为该拓扑中所有电感的损耗，PLoss-C-total为改拓扑中所有电容的损耗，PLoss-total为该拓扑总的损耗。在使用全局最优化算法的过程中，25种拓扑总共优化出m套谐振参数，相应的可以求的相对应的损耗{PLoss-total-1,PLoss-total-2，…，PLoss-total-m}，则使用目标函数min{PLoss-total-1,PLoss-total-2，…，PLoss-total-m}(4)求得最优拓扑和最优参数。式(4)中，min{…}是最小值函数。本专利技术的有益效果是：相比利用实际模型进行优化，利用算法进行优化具有很高的灵活性，同时避免了实际参数优化的复杂性，尤其是在实际参数模型中配置谐振网络是比较麻烦的。具有广泛的适用性，能够解决谐振网络应用不匹配导致的传输效率不高、输入电压范围小等的问题，而且是利用算法优化，具有快速、计算简便、实际模型效率高等优点。附图说明图1是本专利技术原理示意图；图2是本专利技术最优化算法的优化流程图；图3是本专利技术双边LCCL优化得到拓扑LCL-S的过程图；图4是本专利技术LCL-S的等效电路图；图5是由双边LCCL可以优化出来的25种拓扑汇总图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。实施例1：一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，以双边LCCL拓扑(原边LCCL和副边LCCL)为基本拓扑，然后给计算机输入目标函数(损耗最低为目标函数)、相应的条件和约束条件，利用全局最优化算法进行拓扑优化，得到满足目标函数的拓扑，双边LCCL可以优化得到P(Parallel-并联)拓扑，LCL拓扑、CCL拓扑、S(Series-串联)拓扑和LCCL拓扑5种元拓扑。在利用全局最优化算法优化后，同时得到效率最高的拓扑和元件参数。在使用全局最优化算法的拓扑优化过程中，相应的条件为给定输入电压或者输入电流、输出电压或者输出电流、输出功率和谐振条件(L1和L2的电感值，耦合系数k，互感M和谐振频率ω)。使用全局最优化算法优化得的拓扑和参数都是最优。优化拓扑的原边和副边可以用LCCL、LCL、CCL、S和P五种相互组合，原副边拓扑既可以相同也可以不同，只要满足给定条件和目标函数。在全局最优化算法中，参数优化的前提条件是谐振网络的输入电压和输入电流相同，在输出功率一定的情况下求线圈参数及其补偿网络参数，即保证输入功率和输出功率相同的情况下求谐振网络损耗最小。谐振网络中电感的等效电阻选取同一种线，只是线的直径、长度有所差别，保证单位体积内阻唯一。拓扑优化后的拓扑主要有P(Parallel-并联)拓扑，LCL拓扑、CCL拓扑、S(Series-串联)拓扑和LCCL拓扑5种元拓扑，其连接关系分别如下：原边P拓扑的连接关系如下：高频逆变器的输出电压UAB的正接到Cs1的输入端，Cs1的输出端接到L1的输入端，L1的输出端回到UAB的负。L1与L2的互感为M，变比为n:1。副边S拓扑的连接关系如下：L2的输出端接到Cs2的输入端，Cs2的输出端接到整流器，L2的输入端也接整流器。原边LCL拓扑的连接关系如下：高频逆变器的输出电压UAB的正接到电感Lf1的输入端，Lf1的输出端接到Cp1输入端和L1的输入端，Cp1的输出端回到UAB的负，L1的输出端回到UAB的负。L1与L2的互感为M，变比为n:1。副边LCL拓扑的连接关系如下：L2的输出端接到Cp2和Ls2的输入端，Cp2的输出端接到L2的输入端，Ls2的输出端接整流器。原边CCL拓扑的连接关系如下：高频逆变器的输出电压UAB的正接到Cp1和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：以双边LCCL拓扑为基本拓扑，然后给计算机输入目标函数、相应的条件和约束条件，利用全局最优化算法进行拓扑优化，得到满足目标函数的拓扑，双边LCCL可以优化得到P拓扑，LCL拓扑、CCL拓扑、S拓扑和LCCL拓扑5种元拓扑，再利用全局最优化算法优化，同时得到效率最高的拓扑和元件参数。

【技术特征摘要】
1.一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：以双边LCCL拓扑为基本拓扑，然后给计算机输入目标函数、相应的条件和约束条件，利用全局最优化算法进行拓扑优化，得到满足目标函数的拓扑，双边LCCL可以优化得到P拓扑，LCL拓扑、CCL拓扑、S拓扑和LCCL拓扑5种元拓扑，再利用全局最优化算法优化，同时得到效率最高的拓扑和元件参数。2.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：在使用全局最优化算法的拓扑优化过程中，相应的条件为给定输入电压或者输入电流、输出电压或者输出电流、输出功率和谐振条件。3.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：使用全局最优化算法优化得的拓扑和参数都是最优。4.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：优化拓扑的原边和副边可以用LCCL、LCL、CCL、S和P五种相互组合，原副边拓扑既可以相同也可以不同，只要满足给定条件和目标函数。5.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：在全局最优化算法中，参数优化的前提条件是谐振网络的输入电压和输入电流相同，在输出功率一定的情况下求线圈参数及其补偿网络参数，即保证输入功率和输出功率相同的情况下求谐振网络损耗最小。6.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：谐振网络中电感的等效电阻选取同一种线，只是线的直径、长度有所差别，保证单位体积内阻唯一。7.根据权利要求1所述的适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法，其特征在于：拓扑优化后的拓扑主要有P拓扑，LCL拓扑、CCL拓扑、S拓扑和LCCL拓扑5种元拓扑，其连接关系分别如下：原边P拓扑的连接关系如下：高频逆变器的输出电压UAB的正接到Cs1的输入端，Cs...

【专利技术属性】
技术研发人员：李思奇，代维菊，舒文彬，李得菘，荣恩国，罗淑龄，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53