电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计.pdf
《电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计.pdf(13页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、2023 年(第 45 卷)第 9 期汽车工程Automotive Engineering2023(Vol.45 )No.9电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计*熊萌1,2,张栋1,尤国建1,孙添飞1,盛凯1,魏学哲2(1.中国汽车工程研究院股份有限公司,重庆401120;2.同济大学新能源汽车工程中心,上海201804)摘要 基于电动汽车无线充电的非对称DD线圈与LCC-SP拓扑,优化设计了一种新型磁芯结构,以解决发射端磁芯的非均匀磁通所导致的磁芯高磁损耗与低利用率问题。首先,针对参考线圈组建立了其等效电路模型与等效磁路模型,分别为磁芯损耗的剥离计算与磁芯结构的排布设计提供理论支
2、撑。同时,提出磁芯磁通均匀性的评价指标CV(B),并建立了其与磁芯损耗及磁芯体积的定量关系,为磁芯优化提供了优化方向及优化边界。然后,基于线圈组等效模型提出了新型发射端磁芯结构,并对其关键结构参数进行敏感性分析,以期减小优化变量复杂度。最后,以最大耦合系数与最小均匀系数作为优化目标,采用COMSOL与Matlab联合仿真完成了基于NSGA-II多目标优化算法的新型磁芯结构优化。结果表明,优化后磁芯利用率及效率得到改善,优化磁芯体积仅占原参考磁芯的60%,线圈传输效率提升至98.117%,磁芯损耗减小约10 W,证明了所提优化方法的有效性。关键词:无线充电;磁通均匀性;新型磁芯结构;多目标优化M
3、ulti-objective Optimization Design of High Efficiency and High Utilization Magnetic Core of Wireless Charging of Electric VehiclesXiong Meng1,2,Zhang Dong1,You Guojian1,Sun Tianfei1,Sheng Kai1&Wei Xuezhe21.China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing401120;2.New Energy Engineer
4、ing Center,Tongji University,Shanghai201804Abstract In this paper,based on the asymmetric DD coil and LCC-SP topology of electric vehicle for wireless charging,a novel magnetic core structure is designed and optimized to solve the problem of high magnetic loss and low utilization of the core caused
5、by the non-uniform magnetic flux of the transmitting core.Firstly,the equivalent circuit model and the equivalent magnetic circuit model of the reference coils are established,providing theoretical support for the calculation of magnetic core loss and the layout design of the core structure.Meanwhil
6、e,the evaluation index of magnetic flux uniformity CV(B)is proposed,and its quantitative relationship with magnetic core loss and core volume is established,providing the optimization direction and optimization boundary for the magnetic core.Then,based on the coils equivalent model,a novel transmitt
7、ing core structure is proposed,and sensitivity analysis is carried out on its key structure parameters to reduce the complexity of optimization variables.Finally,with the maximum coupling coefficient and the minimum uniformity coefficient as the optimization objectives,the novel core structure optim
8、ization based on NSGA-II multi-objective optimization algorithm is completed by the Co-simulation of COMSOL and Matlab.The results show that the utilization rate and efficiency of the optimized core have been improved,with the volume of the optimized core only 60%of the original reference core,the c
9、oil transmission efficiency increased to 98.117%,and the core loss reduced by about 10 W,which proves the effectiveness of the proposed optimization method.doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.ep.008*国家重点研发计划(2022YFB2502404)资助。原稿收到日期为 2022 年 12 月 29 日,修改稿收到日期为 2023 年 02 月 23 日。通信作者:张栋,高级工程师,硕士,E-mail:。
10、2023(Vol.45)No.9熊萌,等:电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计Keywords:wireless charging;magnetic flux uniformity;novel core structure;multi-objective optimization前言无线传能(wireless power transfer,WPT)技术作为电动汽车前沿充电技术,充电过程无线缆连接,具有快速灵活、方便安全、易维护等优势,是目前行业的研究热点 1-4,其与自动泊车、自动驾驶、V2G等技术结合,可实现停车即走、自主充电、电网互动等场景应用5-7。但仅通过松耦合线圈无法实现
11、大间隙高效率大功率传输,须在线圈耦合结构中铺设适量高磁导率磁芯,以提升线圈传输性能,并减小磁辐射泄漏。因此,作为核心传能部件,功率铁氧体磁芯被广泛用于电动汽车无线充电领域8-13。由于磁芯结构及排布对无线传能的性能影响较大,国内外以提升系统传输效率并减小磁芯损耗等14-17,对磁芯结构的优化设计展开了广泛研究。根据磁芯参数与优化约束复杂度,总结的国内外磁芯结构研究如图1所示。图1(a)中Strauch等14将简单的条形磁芯结构呈辐射排布,优化分析了磁芯参数对耦合系数与磁芯体积的影响。相比形状单一的磁芯结构,特殊结构的磁芯可提升优化空间,对磁场调控更科学,如图1(b)中刘志珍等15在DD线圈绕组
12、两空心区域增加磁芯厚度,提出了双凸型磁芯结构,有效提高了线圈耦合磁通量。进一步地,随着无线充电功率等级的提升与产业化推进,对特殊结构磁芯的磁饱和、磁损耗、磁利用率等非线性问题提出了约束,此类研究保证了系统传输性能,最大化提升了磁芯优化空间,为解决磁芯体积小型化与大功率快充需求之间的矛盾提供了思路。图1(c)中孙跃等16基于圆形线圈提出了凹型磁芯结构,并考虑磁饱和问题,约束了优化磁芯的最大磁通,优化后凹型磁芯体积减小22%,系统理论输出功率与效率分别提高了37%与10%。上述研究未考虑磁芯磁通分布不均匀的问题,因此 Mohammad等17提出了图1(d)中类梯形磁芯结构,对磁芯磁通分布的均匀性进
13、行约束,优化后磁芯磁通均匀性显著提高,避免磁饱和的同时,提高了低磁通密度区域的磁芯利用率,降低了磁芯损耗。综上,简单结构的磁芯优化参数少,优化空间小,适用于对磁芯体积要求不高的低功率无线充电应用。不考虑磁芯非线性特性的特殊磁芯结构的优化设计往往忽略了磁饱和问题,如图 1(b)中凸型磁芯结构的中部既是较薄区域也是主磁通区域,因此该区域在大功率下可能出现局部磁饱和问题。虽然上述第 4 种磁芯研究考虑了磁饱和与磁利用率问题,但仅从定性角度给出了磁芯磁通分布的调控方向,并未定量给出磁通均匀性与磁损耗之间的关系。为提升抗偏移性能,电动汽车无线充电的地面发射线圈尺寸往往大于接收线圈,因此发射端磁芯物理尺寸
14、跨度较大,面临更显著的磁通不均匀性与更高的磁损耗问题18。针对磁通不均匀性更严重的非对称DD线圈发射端,本文将基于其等效电路模型与等效磁路模型,提出磁芯磁通均匀性评价指标,建立其与磁芯损耗、磁芯体积的定量关系。据此,提出一种面向11 kW功率级发射端应用的新型磁芯结构,并进行基于 Pareto前沿的 NSGA-II多目标优化与实验验证,旨在提升磁芯磁通均匀性以减小磁损耗,增大磁芯利用率,并进一步提高线圈间耦合性能,最终解决磁芯在大功率车用无线充电中的小型化高效应用。1无线充电系统方案与建模无线充电系统由作为核心传能部件的磁耦合线圈组、提升传能效率的补偿拓扑以及保证系统稳定图14种国内外的磁芯结
15、构 1741汽车工程2023 年(第 45 卷)第 9 期传能的控制电路组成,其中线圈类型将直接决定磁芯排布设计,补偿拓扑及控制类型则决定了额定功率下磁芯磁通大小,因此须首先确定本无线充电系统的优化初始方案。1.1参考磁耦合线圈组及拓扑方案相比圆形与方形线圈,DD线圈在较大横向偏移下耦合性能最佳,因而被广泛用于电动汽车无线充电研究19-20。同时,一大一小的非对称线圈组耦合磁通更均匀,抗偏移能力更强,已成为车用无线充电的产业标准化方案。本文选取同济大学Luo等21基于最大耦合系数与最小磁泄漏优化所得发射线圈,作为本文优化的初始参考磁耦合线圈,其结构及实物如图 2(a)和图 2(b)所示,发射端
16、采用直径 4 mm的24匝多股利兹线,通过3线并联绕制而成(等效为8匝),条形铁氧体与铝板分别为10与4 mm均匀厚度。接收端则采用SAE J2954标准22中11 kW功率级与Z2间隙等级的DD线圈作为标准接收线圈,如图 2(c)和图2(d)采用直径5 mm的6匝多股利兹线单线绕制而成,条形铁氧体与铝板分别为8与3 mm均匀厚度。单通过松耦合线圈组无法实现系统高效传能,同时为保证优化工作可操作性,选定抗谐波能力强且具有恒流输出特性的 LCC-SP 拓扑作为补偿拓扑23。在接收端采用具有电流放大作用的倍流整流控制电路,以缓解高功率密度带来的大电流负荷问题,系统结构如图3所示。544100108
17、144800074线圈铁氧体574830640铝板(a)发射端参考线圈结构图 06217037810317219420铁氧体线圈铝板320438(c)接收端参考线圈结构图(b)发射端参考线圈实物图(d)接收端参考线圈实物图图2选定的非对称DD参考磁耦合线圈组图3基于LCC-SP拓扑与整流控制的无线充电系统 17422023(Vol.45)No.9熊萌,等:电动汽车无线充电高效高利用率磁芯的多目标优化设计1.2磁耦合线圈组等效模型建立虽然1.1节中选定的非对称线圈组缓解了耦合衰减与功率波动问题,但过大的发射端结构将导致磁芯磁通分布不均,磁损耗增大。为解决该问题,并进一步提升线圈间耦合系数,本节将
18、针对选定的参考磁耦合线圈组建立其等效电路模型与等效磁路模型,为磁损耗的提取与磁芯结构的排布优化提供理论指导依据。1.2.1考虑磁芯损耗的等效电路模型发射端磁芯损耗作为本文的重要优化指标,须将其从线圈、磁芯、铝板3大组件损耗中分离。各组件等效电阻可用各自损耗与线圈激励电流的比值表征24,如式(1)所示。其中,Rtx_coil、Rtx_core、Rtx_sh分别表示发射端线圈、磁芯、铝板的等效电阻,Itx表示发射线圈的激励电流。上述组件损耗中,发射线圈损耗Ptx_coil来自线圈绕组单独产生的电阻损耗,一旦绕组与工作频率确定,Rtx_coil不随线圈电流值变化。铝板损耗 Ptx_sh由铝屏蔽板高电
19、导率产生的感应涡流引起,而感应涡流与线圈中安匝电流成正比,因此铝板损耗可用与绕组串联的铝板交流电阻Rtx_sh表示,可视为恒定值24。虽然磁芯损耗也可通过与线圈电流有关的附加串联电阻表示,但由式(2)斯坦梅兹经验公式推导出磁芯等效串联电阻随实际通过的线圈电流呈式(3)的非线性关系,其与磁芯系数有关17。Rtx_coil=Ptx_coilI2tx;Rtx_core=Ptx_coreI2tx;Rtx_sh=Ptx_shI2tx(1)Pv=CmfBm(2)Rtx_core=Ptx_coreI2tx I-2tx(3)式中:Pv为单位体积的磁芯损耗,kW/m3;f为工作频率,Hz;Bm为磁通幅值,mT;
20、Cm、为磁芯系数,与磁芯材质及工况有关。通过实测单位体积磁芯的P-B损耗曲线,拟合求得85 kHz工作频率下,本文所用功率铁氧体磁芯的磁芯系数 Cm=1.1310-8,=2.4,拟合相关度 R2=0.992。据此,建立参考DD线圈组的等效电路模型(见图 4),其中 VAC为交流输入源,RL为等效负载电阻,Ztx与Zrx为收发端补偿阻抗,L1、L2、M分别为发射线圈自感、接收线圈自感、线圈间互感。线圈电流流过收发端组件电阻,参考发射端的线圈及铝板等效电阻Rtx_coil与Rtx_sh可通过LCR仪测得,再由实测发射线圈电流求得发射线圈损耗与铝板损耗,最后经发射端总损耗间接剥离得到磁芯损耗。1.2
21、.2考虑线圈耦合的等效磁路模型分析线圈不同位置处磁芯磁阻调控对线圈耦合性能的影响,划分参考线圈组的空间耦合区并建立其等效磁路模型。由磁通连续性定律,DD发射线圈激发的磁通一部分被自身耦合,另一部分被接收线圈耦合。根据XOZ截面磁通的空间分布,如图5所示划分自耦合区与互耦合区。据此建立对应的等效磁路模型,DD发射线圈两并列矩形线圈产生的磁动势F1与F2可类比为电动势,Rs1、Rs2与Rs3分别为对应自耦合区的空间磁阻,Rm1与Rm2为线圈间互耦区的空间磁阻,s1、s2与s3分别为对应自耦合区的空间磁通,m1与m2为各互耦区的空间磁通。根据等效磁路模型,得到线圈互耦合磁通m与自耦合磁通s的表达式为
22、 m1=F1+F2Rm1;m2=F1+F22Rm2s1=F1Rs3;s2=F1+F2Rs1/Rs2;s3=F2Rs3(4)图4非对称DD参考磁耦合线圈组的等效电路模型图5参考线圈组的空间耦合划分与等效磁路模型 1743汽车工程2023 年(第 45 卷)第 9 期由于DD发射线圈两并列串联矩形线圈完全相等,则磁动势 F1=F2。结合式(4),推导化简得到参考DD线圈组的耦合系数k如式(5),各耦合区空间磁阻大小等于该区域磁导的倒数,自耦合区1与自 耦 合 区 2 磁 阻 并 联 后 的 磁 导 表 示 为/=1/(Rs1/Rs2)。k=m1+m2all=11+2s3+2/2m1+m2(5)综上
23、,若需提升非对称DD线圈耦合性能,可减小磁导(s3+/),增大(m1+0.5m2),即减小相应互耦合区的磁阻,增大相应自耦合区的磁阻。因此,通过合理的发射端磁芯排布设计,可实现对线圈等效磁路的磁阻优化。2磁芯磁通均匀性问题研究车用无线充电磁芯存在磁通分布不均的问题,尤其大功率下局部磁通过高将导致磁饱和,局部过低则磁芯未被充分利用,且磁芯磁通是否均匀将直接影响磁芯损耗。为调控发射端磁芯磁通,对发射端磁芯磁通均匀性问题展开研究。用11 kW实测线圈电流值Itx-RMS=34 A与Irx-RMS=39 A激励线圈组仿真模型,得到图6(a)中参考发射端磁芯磁通分布,磁通主要集中在中心区域,而沿X轴两侧
24、边缘附近磁通较低。在三维空间下磁通呈如图6(b)所示的近似正态分布,且沿X截线方向磁通差异较大,Y方向则差异较小,因此须重点调控磁芯X方向磁通。为定量表征磁芯磁通均匀性,定义磁芯磁通的均匀系数CV(B)作为不同磁芯结构磁通均匀性的评价指标,用不同位置处磁芯的磁通密度分布标准差(B(x,y,z)与平均磁通密度-B(x,y,z)的比值表示,见式(6)。均匀系数CV(B)不随线圈安匝数与磁芯均匀厚度变化,可客观反映磁芯磁通的波动性25。CV(B)越小,波动性越小,磁芯磁通越均匀,反之CV(B)越大,波动性越大,磁通越不均匀。CV(B)=(B(x,y,z)-B(x,y,z)(6)2.1磁通均匀性与磁损
25、耗关系为研究磁芯磁通均匀性与磁损耗的定量关系,改变发射端磁芯结构及参数,分析磁芯磁通密度、均匀系数以及磁芯损耗的变化。保持发射端磁芯总体积及XOY截面积不变,提出图7中 3种非均匀程度较大的磁芯,并改变其 XOZ 截面形状。考虑到铁氧体脆性难加工,H2至少为2 mm,L1根据图 6(a)中磁通分布定为 200 mm,在一定范围内参数化扫描 3 种磁芯截面的上边 X,得到 3 种磁芯的均匀系数与磁通密度以及磁芯损耗的关系,如图8图611 kW下参考发射端磁芯磁通密度分布 L=800 mmH=16000/(800+X)X,X20,800L=800 mmH1=12800/(800+X)X,X20,8
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电动汽车 无线 充电 高效 利用率 多目标 优化 设计