一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法

技术领域

本发明涉及无人地面车辆技术领域，具体涉及一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法。

背景技术

随着陆战平台全电化的不断发展，其对可靠电能传输方式的需求不断增大。在民用领域，无线电能传输技术凭借安全、高效、可靠的优点，已经取得广泛的应用。在军事领域，受限于环境、功率等级等因素，尚无成熟应用。随着电力电子技术、电磁变换技术、车载电力系统技术的快速发展，将无线电能传输技术应用于陆战平台，使得野外环境下陆战平台编组间电能的再分配成为可能，可增加陆战平台的续航里程，提高陆战平台的载荷功率，增强陆战平台的应急机动能力。

耦合线圈是实现无线电能传输的必要装置，当前对耦合线圈的结构设计只考虑耦合线圈的抗偏移性能，无法满足野外环境下，无人地面车辆无线电能传输对耦合线圈抗偏移抗偏转性性能的要求，需要设计一种无人地面车辆高适应性耦合线圈设计及优化方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种无人地面车辆高适应性耦合线圈及其优化方法，克服了现有技术无法满足野外环境下，无人地面车辆无线电能传输对耦合线圈抗偏移抗偏转性性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种无人地面车辆高适应性耦合线圈优化方法，包括以下步骤：

根据无人地面平台野外环境下无线电能传输对耦合线圈抗偏移抗偏转性性能的要求，构建无人地面车辆耦合线圈模型；该模型为FS线圈和DD线圈叠加的双层组合线圈结构，采用发射端FS线圈和DD线圈反接，接收端FS线圈和DD线圈正接；

将互感标准差作为耦合线圈性能评价指标构建优化目标函数，并根据应用场景确定耦合线圈的边界条件，线圈匝数作为优化对象；其中，所述互感标准差包括偏移互感标准差和偏转互感标准差；

对无人地面车辆耦合线圈模型进行多物理场强耦合磁感应线圈电磁分布时空特性分析，综合考虑平均互感标准差、耦合线圈初始状态互感值和线圈总匝数，确定优化后的耦合线圈匝数；

根据耦合线圈匝数、电磁屏蔽结构以及耦合线圈尺寸要求，确定无人地面车辆耦合线圈结构。

优选地，所述无人地面车辆耦合线圈模型为FS线圈和DD线圈叠加的双层组合线圈结构；其中，电路等效模型为：

对于耦合线圈的发射端，电感

（1）

串联后发射端电路两端电压为：

（2）

反向串联的电感

（3）

对于耦合线圈的接收端，电感

（4）

发射线圈中的电流变化，引起接收线圈的磁通变化，接收线圈中产生感应电动势；穿过接收线圈的磁通量正比于发射线圈中电流，比值定义为线圈互感：

（5）

同理，接收线圈中的电流变化，也会引起发射线圈的磁通变化，互感为：

（6）

式中，Φ

则线圈互感为：

（7）

综上所述，FSP-DDP双层组合线圈电感之间的关系为：

（8）

式中，

优选地，所述互感标准差包括偏移互感标准差

所述互感标准差为耦合线圈在偏移偏转范围内等差值取

（9）

式中，

对于耦合线圈的一种匝数组合：

（10）。

优选地，所述对无人地面车辆耦合线圈模型进行多物理场强耦合磁感应线圈电磁分布时空特性分析，包括以下步骤：

假定发射线圈和接收线圈的匝数完全相同，即：

（11）

式中，

根据边界条件，确定耦合线圈沿X轴偏移距离

给定数量为

根据平均互感标准差

优选地，还包括：

根据耦合线圈匝数优化范围，确定耦合线圈匝数组合的选取方案；

分别对应采样点进行多物理场分析，获得各个方案的多物理场分析结果，并以平均互感标准差、耦合线圈初始状态互感值和耦合线圈总匝数确定耦合线圈匝数组合方案；

根据耦合线圈接收端轻量原则，选取总匝数大的耦合线圈匝数组合为发射线圈匝数组合，总匝数小的耦合线圈匝数组合为接收线圈匝数组合，确定耦合线圈匝数组合方式。

优选地，所述电磁屏蔽结构采用铝板包裹屏蔽结构。

优选地，还包括：

根据耦合线圈整体尺寸要求，以及发射端FS线圈匝数

一种无人地面车辆高适应性耦合线圈，包括应用所述的无人地面车辆高适应性耦合线圈优化方法获得的耦合线圈。

本发明的有益效果：

本发明考虑无人地面平台野外环境下无线电能传输对耦合线圈抗偏移抗偏转性性能的要求，构建无人地面车辆高适应性耦合线圈模型，综合考虑耦合线圈偏移和偏转对线圈互感变化的影响，提出一种新的耦合线圈性能评价指标作为无人地面车辆的高适应性耦合线圈的优化目标函数并根据实际工作场景设置耦合线圈优化的边界条件，解决了耦合线圈抗偏移抗偏转性性能评价指标不明确的问题；本发明结合无人地面车辆无线电能传输的应用场景，设置满足条件的耦合线圈多物理场强耦合磁感应线圈电磁分布时空特性分析的边界条件，提高了多物理场分析的时效性和准确性。

附图说明

图1是线圈偏移偏转示意图；

图2是本发明实施例的无人地面车辆高适应性耦合线圈优化方法的流程图；

图3是本发明实施例的FSP-DDP双层组合线圈结构示意图；

图4是本发明实施例的FSP-DDP双层组合线圈电路等效模型图；

图5是本发明实施例的线圈匝数与平均互感标准差关系仿真图；

图6是本发明实施例的线圈匝数与初始状态线圈互感关系仿真图；

图7是本发明实施例的设置铝板屏蔽后FSP-DDP双层组合线圈结构图；

图8（a）是本发明实施例的设置铝板屏蔽前FSP-DDP双层组合线圈磁场分布云图；

图8（b）是本发明实施例的设置铝板屏蔽后FSP-DDP双层组合线圈磁场分布云图；

图9是本发明实施例的FSP-DDP双层组合线圈尺寸标识示意图；

图10（a）是本发明实施例的发射端FS线圈尺寸标识图；

图10（b）是本发明实施例的发射端DD线圈尺寸标识图；

图10（c）是本发明实施例的接收端FS线圈尺寸标识图；

图10（d）是本发明实施例的接收端DD线圈尺寸标识图；

图11（a）是本发明实施例的耦合线圈偏移互感实验值与仿真值对比图；

图11（b）是本发明实施例的耦合线圈偏转互感实验值与仿真值对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

无人地面车辆在无线电能传输过程中线圈的空间运动主要有偏移和偏转两类。偏移主要包括轴向偏移和径向偏移两种。轴向偏移主要是由于无人地面车辆编组在充电过程中相对距离发生变化，引起发射线圈和接收线圈之间产生沿着与线圈平面垂直的轴线方向上的偏移运动；径向偏移主要是由于无人地面车辆编组在充电过程中前进速度存在偏差、停车位置未对正、编组各车辆之间存在高度差，引起发射线圈和接收线圈之间产生沿着线圈平面方向上的偏移运动。偏转主要包括翻转和旋转两种，翻转主要是由于无人地面车辆编组之间存在侧向的坡度，引起发射线圈平面和接收线圈平面之间产生翻转角度；旋转主要是由于无人地面车辆编组之间由于沿前进方向地面存在坡度，引起发射线圈平面和接收线圈平面之间相对于初始状态存在旋转的角度差。如图1所示。

设计无人地面车辆耦合线圈结构需要解决以下问题：

（1）耦合线圈具备一定的抗组合空间运动的性能。考虑无人地面车辆编组各车之间停放或运动时地形会变化，发射线圈和接收线圈之间难以做到正对，因此，耦合线圈在设计时需要考虑线圈多种空间运动方式组合的情况；

（2）耦合线圈尺寸应进行限制。应该根据无人地面车辆车型大小以及所需的传输距离要求，对于耦合线圈的设计尺寸进行限制；

（3）需要考虑电磁屏蔽。无线电能传输装置使用过程中产生的电磁辐射会对无人地面车辆编组之间的通讯以及周围人员安全产生影响，因此，需要设计电磁屏蔽装置以减弱相关电磁辐射影响；

（4）考虑耦合线圈的制造成本，在耦合线圈性能相同或相近的情况下，应选择耦合线圈总匝数较小的线圈优化方案。

因此，本实施例提出一种无人地面车辆高适应性耦合线圈设计及优化方法，具体提出一种FSP-DDP（Flat Solenoid Pad-Double-D Pad）双层组合线圈，以及提出一种新的目标函数表示方法：互感标准差作为耦合线圈性能评价指标，设计了耦合线圈优化方法。

如图2所示，具体包括以下步骤：

S1：考虑无人地面平台野外环境下无线电能传输对耦合线圈抗偏移抗偏转性性能的要求，构建无人地面车辆高适应性耦合线圈模型，具体如下：

将DD线圈（Double-D Pad）和FS线圈（Flat Solenoid Pad）叠加使用，提出一种FSP-DDP（Flat Solenoid Pad-Double-D Pad）双层组合线圈，结构如图3所示。

为了提高FSP-DDP双层组合线圈的抗偏移性能，线圈采用发射端FS线圈和DD线圈反接，接收端FS线圈和DD线圈正接，其电路等效模型如图4所示。图中，

对于耦合线圈的发射端，电感

（1）

串联后发射端电路两端电压为：

（2）

反向串联的电感

（3）

对于耦合线圈的接收端，电感

（4）

发射线圈中的电流变化，引起接收线圈的磁通变化，接收线圈中产生感应电动势；穿过接收线圈的磁通量正比于发射线圈中电流，比值定义为线圈互感：

（5）

同理，接收线圈中的电流变化，也会引起发射线圈的磁通变化，互感为：

（6）

式中，Φ

则线圈互感为：

（7）

综上所述，FSP-DDP双层组合线圈电感之间的关系为：

（8）

S2：综合考虑耦合线圈偏移和偏转对线圈互感变化的影响，提出一种新的耦合线圈性能评价指标作为无人地面车辆的高适应性耦合线圈的优化目标函数并根据实际工作场景设置耦合线圈优化的边界条件。

为了更好地对耦合线圈的抗偏移抗偏转性性能进行评价，提出一种新的耦合线圈性能评价指标——互感标准差，包括偏移互感标准差

（9）

式中，

对于耦合线圈的一种匝数组合：

（10）

使用0.05mm×1000股的利兹线（线径2.4mm）和200mm×200mm×3mm的铁氧体磁芯制作无人地面车辆车载无线电能传输系统耦合线圈，根据研究的无人地面车辆车载无线电能传输系统的实际需求，对线圈尺寸、互感以及传输距离等方面进行限制，对耦合线圈的限定条件如表1所示。

表1 FSP-DDP双层组合线圈的限定条件表

线圈匝数对耦合线圈性能影响较大，因此选择发射端FS线圈匝数

S3：多物理场强耦合磁感应线圈电磁分布时空特性分析

为了减小参数优化的范围，缩短耦合线圈多物理场分析的时间，先假定发射线圈和接收线圈完全相同，即：

假定发射线圈和接收线圈的匝数完全相同，即：

（11）

式中，

根据边界条件，确定耦合线圈沿X轴偏移距离

（12）

给定采样点数量为m，则采样点一览表如表2所示。

表2 FSP-DDP双层组合线圈采样点一览表

按照采样点一览表进行耦合线圈多物理场分析，根据公式计算平均互感标准差，得到FS线圈匝数

平均互感标准差

由于耦合线圈发射端和接收端匝数相反时不影响系统的偏移偏转特性，可认为是同一种线圈匝数选取方案，因此，共有如表3所示的45种方案。

表3 FSP-DDP双层组合线圈匝数优化实验方案表

根据上述实验方案的匝数选择，按表2中对应的采样点进行多物理场分析，仿真结果如表4所示。

表4 FSP-DDP双层组合线圈匝数优化实验结果表

对比表4中各方案可知，方案40耦合线圈初始状态互感值Mori最大，为48.93μH，但该方案平均互感标准差

S4：设计耦合线圈电磁屏蔽

耦合线圈通过磁场耦合作用传输能量，不可避免会产生漏磁造成电磁辐射。无人地面车辆本身存在大量铁磁性结构且无人地面车辆编组之间需要无线通信，电磁辐射会对无人地面车辆编组之间的通讯以及周围人员安全产生影响。因此，需要设计电磁屏蔽装置以减弱相关电磁辐射影响。

耦合线圈常用的电磁屏蔽方式有磁性金属屏蔽和非磁性金属屏蔽两种。磁性金属屏蔽利用磁性金属材料磁阻低的特性，使得大量磁通流入磁性金属材料，而屏蔽区域由于磁阻较大，几乎没有磁通流入，从而起到电磁屏蔽的作用；非磁性金属屏蔽通过在其内部产生感应电动势和涡流来削弱进入屏蔽区域的磁场以实现电磁屏蔽。磁性金属材料屏蔽能加强耦合区域的磁场，但成本较高；非磁性金属屏蔽成本较低，但会削弱耦合区域的磁场。

铝作为一种非磁性金属屏蔽材料，具有重量轻、导电率高、成本低的优势，铝的密度仅为2.7g/cm

对设置铝板电磁屏蔽前后FSP-DDP双层组合线圈进行多物理场分析，仿真结果如表5所示。

表5 仿真结果

根据仿真结果可以看出施加铝板前后，耦合线圈的性能基本没有变化，线圈自感和互感仅有少量下降，耦合线圈的重量少量增加。

通过分析图8（a）和图8（b），图8（a）是设置铝板屏蔽前FSP-DDP双层组合线圈磁场分布云图，图8（b）是设置铝板屏蔽后FSP-DDP双层组合线圈磁场分布云图，铝板的确屏蔽了大量磁通，发射线圈和接收线圈背面磁通明显减小，起到了良好的屏蔽效果。

S5：耦合线圈参数确定

FSP-DDP双层组合线圈尺寸标识示意图如图9所示。

根据耦合线圈参数优化设计，选择方案7，即发射端FS线圈匝数(

表6 FSP-DDP双层组合线圈尺寸标识表

本实施例中：

搭建上述耦合线圈实物，在实验中模拟耦合线圈发生沿X轴、Y轴、Z轴方向上的偏移和绕X轴、Y轴、Z轴方向的偏转，使用VICTOR公司的4092E LCR数字电桥测试仪测量耦合线圈自感、互感，实验结果与仿真结果的对比如图11（a）和图11（b）所示，图11（a）是耦合线圈偏移互感实验值与仿真值对比图，图11（b）是耦合线圈偏转互感实验值与仿真值对比图。

实验结果表明，在发射线圈和接收线圈之间的传输距离为50mm且线圈保持正对条件下，用LCR数字电桥测得发射线圈自感值LP为396.43μH，内阻

与现有的耦合线圈设计方案相比，本研究提出互感标准差能更全面地表征耦合线圈的抗偏移抗偏转性性能，避免了传统研究分多种条件考虑的困难，提出的耦合线圈设计方案能指导设计抗偏移抗偏转性性能更好的耦合线圈，能更好满足无人地面车辆无线电能传输需求。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。