一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，包括理论分析无限大金属环境对无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)系统的影响，并提出优化策略，建立非铁磁金属环境下WPT系统的电磁仿真模型，分析磁场分布，提出优化目标，最后基于磁场聚集的原理提出附加铁氧体的优化方案并通过改变铁氧体最小单元尺寸降低系统涡流，提升系统传输性能。本发明专利技术从电磁仿真的角度克服了传统实验的复杂性，所提出的优化方案可以促进WPT系统在复杂军事环境下的应用，为WPT技术更广阔的发展打下良好的基础并提供具体的理论指导。

A transmission performance optimization method of wireless charging system near metal plate

【技术实现步骤摘要】
一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法
本专利技术涉及一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，属于无线电能传输

技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransmission，WPT)技术已经成为了众多领域解决充电问题的新思路，其传播距离远，传能效率高的特点使其更为广泛地应用在电动汽车、手机、植入式医疗设备等民用领域，为其电池快速安全充电提供了保障，避免了更换电池的繁琐手续以及电缆线带来的危险性。近年来，随着WPT技术应用与研究的深入，其应用领域逐渐拓宽至工业以及军事领域，比如在船舶，飞机，火箭等等。然而，WPT技术无论是应用在电动汽车等民用领域还是船舶火箭等军用领域，都将不可避免地接触金属环境，而对于一个在正常环境下可以工作的线圈系统，在相对较大的金属板背景下，其传输性能必然受到影响，主要包括参数偏移和传输性能下降。因此有必要开展金属环境背景下线圈系统的优化工作，提高WPT系统传输性能，促进WPT系统的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，该方案从电路角度分析金属板对WPT系统传输性能的影响，并通过电磁仿真建模分析，从磁场聚集的角度设计了附加铁氧体的优化方案，同时通过改进设计降低系统涡流，进一步提升系统性能。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、非铁磁性金属环境下WPT系统性能分析：建立非铁磁性金属板存在下WPT系统的等效电路，定义L1、R1、C1分别为发射端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L2、R2、C2分别为接收端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L0、R0分别为金属板等效短路环电流的电感和内阻，M20为金属板与接收线圈之间的互感，M12为初始状态发射线圈与接收线圈之间的互感，而M’12为由于金属板存在而发生变化后的收发线圈之间的互感值，RL为等效负载，U为交流输入电源；通过电路分析得到WPT系统在金属板环境下谐振状态时的系统效率、副边等效阻抗以及传输性能计算公式，得出非铁磁金属环境对WPT系统造成的可能的影响，提出以提升接收端电感以及互感，降低涡流电磁场作为优化策略；步骤二、非铁磁性金属环境下WPT系统建模与影响分析，包括：建立非铁磁性金属环境下WPT系统电磁仿真模型：建立高耦合线圈系统模型，并带有配套的铁氧体，分别增加面积和体积均超过线圈覆盖面积10倍的铝合金平面和曲面，用以模拟无限大非铁磁金属环境；非铁磁金属影响分析及优化目标确定：通过电磁仿真分别得到WPT系统在自由空间、无限大铝合金平面以及曲面三种条件下的磁场强度、磁力线分布以及系统参数值，并计算得到上述三种条件下系统传输性能值，并确定优化目标；步骤三、系统优化方案形成，包括：初步优化方案形成：针对WPT系统磁力线分布图，在不计涡流损耗的基础上，提出在副边线圈处增加铁氧体板进行磁场聚集，即在线圈宽边两侧水平距离为xmm处添加相同尺寸的长条铁氧体板(在线圈长边侧添加其聚集效果过强会导致自感修正过度)，其长度F1与线圈短边的长度相同，厚度F3为5mm，宽度设为F2，其铁氧体板分布方向与竖直线的角度设为α，其中α的范围为0～180°；参数调节规律分析：采用控制变量的原则，分别改变单一变量α、x以及F2，通过仿真计算得到不同金属板存在下原副线圈自感、互感的变化趋势，并形成优化方案；优化方案改进：在上述优化方案的基础上，将整块附加铁氧体分别分成n＝1,4,8,16甚至更多块铁氧体，并等距离分布，通过涡流计算工具测算系统涡流损耗，选取最低涡流损耗方案。相对于现有技术，本专利技术的技术方案如下：1)本专利技术的临近金属板环境下无线充电系统传输性能的优化方法从电路原理出发，涵盖了WPT系统从确定优化目标到建立电磁仿真模型再到提出优化方案以及方案的进一步优化，有效解决了WPT技术在金属环境中系统参数偏移、传输性能降低的问题，可以有效地改善系统的波形，消除因不谐振带来的波形畸变，2)该方法大大提升了系统的传输性能并降低了部分涡流，因此本专利技术的优化方案可以促进WPT系统在复杂军事环境下的应用，为军事、工业等邻域的发展增添新的新生动力，为降低涡流提供了新思路，也为WPT技术更广阔的发展打下良好的基础并提供具体的理论指导。附图说明图1为非铁磁性金属板存在下WPT系统的等效电路；图2为无限大非铁磁环境中WPT系统电磁仿真模型；图3为无限大非铁磁环境中铁氧体优化方案；图4为无限大非铁磁环境中铁氧体改进优化方案。具体实施方式为了加深对本专利技术的认识和理解，下面结合附图和实施方式对本专利技术的优化设计方法做进一步的说明。实施例1：一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：分析非铁磁性金属环境下WPT系统性能分析并初步形成优化策略：建立如图1所示的非铁磁性金属板存在下WPT系统等效电路，定义L1、R1、C1分别为发射端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L2、R2、C2分别为接收端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L0、R0分别为金属板等效短路环电流的电感和内阻，M20为金属板与接收线圈之间的互感，M12为初始状态发射线圈与接收线圈之间的互感，而M’12为由于金属板存在而发生变化后的收发线圈之间的互感值，RL为等效负载，U为交流输入电源。利用基尔霍夫定理列写KVL方程为其中Z1＝R1+jωL1+1/(jωC1)，Z2＝R2+RL+jωL1+1/(jωC1)，I1，I2和I3分别表示接收端，发射端和金属板上感应的电流，根据式(1)可推导出WPT系统在金属板环境下谐振状态时的系统效率和副边的等效阻抗Z’2；其中，当金属板变大时，相当于金属板上涡流回路数增加，这意味着会有图1所示的L0、R0等多个回路影响二次侧电路，此时接收端的等效阻抗为当金属板较大时，系统参数值会发生偏移使得接收端偏离谐振状态，此时系统传输部分无功并且不损耗能量，但效率表达式(2)无法恒量系统传输性能，因此定义式(5)衡量系统传输性能根据式(3)-(5)可以得到在大面积非铁磁性铝合金板的作用下，系统传输性能受到了较大程度的影响和干扰，主要原因为接收端线圈电感及系统互感的下降，并伴随有涡流带来的电阻损耗。因此主要优化策略为在不变动线圈系统的角度下，提升接收端自感以及互感，降低涡流电磁场。步骤二：建立非铁磁性金属环境下WPT系统模型并确定优化目标：(1)建立非铁磁性金属环境下WPT系统电磁仿真模型：在ANSYS中建立高耦合线圈系统模型，由于线圈系统自身需要，系统本身带有配套的铁氧体，由于WPT系统位于无限大非铁磁性金属环境中，因此在建立模型时，分别增加面积和体积均超过线圈覆盖面积10倍的铝合金平面和曲面，用以模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，/n步骤一、非铁磁性金属环境下WPT系统性能分析：通过建立非铁磁性金属板存在下WPT系统的等效电路，分析得出非铁磁金属环境对WPT系统造成的影响，提出优化策略；/n步骤二、非铁磁性金属环境下WPT系统建模与影响分析，包括：/n建立非铁磁性金属环境下WPT系统电磁仿真模型：建立高耦合线圈系统模型，并增加无限大非铁磁金属环境；/n非铁磁金属影响分析及优化目标确定：通过电磁仿真分别得到WPT系统在自由空间以及无限大非铁磁金属环境下的磁场强度、磁力线分布以及系统参数值，计算得到各条件下系统传输性能值，并确定优化目标；/n步骤三、系统优化方案形成，包括：/n初步优化方案形成：针对仿真得到的磁力线分布图，在不计涡流损耗的基础上，提出在副边线圈处增加铁氧体板进行磁场聚集的方案；/n参数调节规律分析：采用控制变量的原则，分别改变单一变量，通过仿真计算得到不同金属板存在下原副线圈自感、互感的变化趋势，并形成优化方案；/n优化方案改进：在上述优化方案的基础上，将整块附加铁氧体分成多块铁氧体单元，并等距离分布，通过涡流计算工具测算系统涡流损耗，选取最低涡流损耗方案。/n...

【技术特征摘要】
1.一种临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
步骤一、非铁磁性金属环境下WPT系统性能分析：通过建立非铁磁性金属板存在下WPT系统的等效电路，分析得出非铁磁金属环境对WPT系统造成的影响，提出优化策略；
步骤二、非铁磁性金属环境下WPT系统建模与影响分析，包括：
建立非铁磁性金属环境下WPT系统电磁仿真模型：建立高耦合线圈系统模型，并增加无限大非铁磁金属环境；
非铁磁金属影响分析及优化目标确定：通过电磁仿真分别得到WPT系统在自由空间以及无限大非铁磁金属环境下的磁场强度、磁力线分布以及系统参数值，计算得到各条件下系统传输性能值，并确定优化目标；
步骤三、系统优化方案形成，包括：
初步优化方案形成：针对仿真得到的磁力线分布图，在不计涡流损耗的基础上，提出在副边线圈处增加铁氧体板进行磁场聚集的方案；
参数调节规律分析：采用控制变量的原则，分别改变单一变量，通过仿真计算得到不同金属板存在下原副线圈自感、互感的变化趋势，并形成优化方案；
优化方案改进：在上述优化方案的基础上，将整块附加铁氧体分成多块铁氧体单元，并等距离分布，通过涡流计算工具测算系统涡流损耗，选取最低涡流损耗方案。


2.根据权利要求1所述的临近金属板环境下无线充电系统传输性能优化方法，其特征在于：所述步骤一中，建立非铁磁性金属板存在下WPT系统的等效电路，定义L1、R1、C1分别为发射端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L2、R2、C2分别为接收端的线圈电感、线圈电阻以及匹配电容，L0、...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭林林，钟汝莹，汤宗尧，黄学良，李佳承，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32