一种无线充电系统冷却优化方法与流程

1.本发明属于无线充电系统散热领域，具体涉及一种无线充电系统冷却优化方法。


背景技术：

2.无线电能传输技术通过磁场耦合实现非接触式能量传输，凭借其便捷、安全等优点近年来备受关注，尤其广泛地应用在电动汽车无线充电领域。在电气化交通领域，无线充电器的发展趋势为更高的功率和功率密度，而磁性元件中的感应涡流损耗对充电器的性能和可靠性有不利影响。在低功率应用中，无线充电系统的热设计不需要太多关注，因为热量有限，可以通过空气冷却轻松散去。但是对于表面积有限、封装紧凑的大功率无线充电系统，散热问题不容忽视，因此需要加大对无线充电系统热设计和优化的关注。
3.为了获得无线充电系统发热部件的温度，有两类方法：
4.1)使用热网络法建立热阻模型进行解析计算，其优势在于快速而直接。但是现有的热阻模型精度有限，无法指导无线充电系统的热设计；
5.2)使用基于数值计算方法的多物理场耦合求解。该方法精度高，但是耗时长，尤其是在优化过程中计算成本很高，无法完成自动优化。


技术实现要素：

6.本发明提出一种无线充电系统冷却优化方法，以解决现有技术中，热阻模型精度有限，无法指导无线充电系统的热设计、以及计算成本过高导致无法自动优化的问题。
7.为达上述目的，本发明提出技术方案如下：
8.一种无线充电系统冷却优化方法，包括如下步骤：
9.步骤一，基于tnm(thermal network method,热网络法)建立无线充电系统磁耦合器的热阻模型并量化热阻值；
10.步骤二，根据步骤一中得到的热阻模型和热阻值选择冷却设备，将冷却设备的部分参数设为固定值，其余的参数确定为设计变量，并确定各设计变量的取值范围和步长；
11.步骤三，经过各设计变量取值的排列组合获得多个设计方案；
12.步骤四，确定优化的目标函数；
13.步骤五，以一个目标函数为横轴，其他目标函数依次作为纵轴，，将各个设计方案对应的目标函数值绘制出来，借助帕列托前沿选定所有目标函数的最优解；
14.选取最优解并作为无线充电系统的冷却设计方案，完成无线充电系统冷却优化。
15.优选的，步骤一中，对于磁耦合器的热传导热阻，计算公式为：
[0016][0017]
式中，导热路径的长度为lc，等效横截面积为a，材料的导热系数为k；
[0018]
对于磁耦合器的热对流热阻，计算公式为：
[0019][0020]
式中，a
surf
为材料与环境的暴露面积，h
conv
为等效对流换热系数。
[0021]
优选的，步骤一中所述热阻模型为：
[0022]rlw,hs-surf
、r
pc
、r
pt
、r
fe,hs-surf
、r
tp
、r
ag
、r
pt’、r
lcp
、r
lcp,cv
串联；
[0023]
其中，r
lw,hs-surf
和r
fe,hs-surf
分别代表从利兹线热点到表面和从磁芯热点到表面的传导热阻，r
pc
、r
pt
分别为灌封材料、金手指胶带的传导热阻r
ag
代表气隙的传导热阻，r
pt’代表导热垫片的传导热阻，r
lcp
为磁芯到冷却液流道的传导热阻，r
lcp,cv
为磁芯与冷却液的对流热阻。
[0024]
优选的，步骤二中，所述固定值包括冷却液流量、液冷板尺寸、散热片的高度。
[0025]
优选的，步骤二中，所述设计变量包括液冷板中流道的数量、散热翅片的数量。
[0026]
优选的，步骤四中，所述每一个设计方案对应的目标函数包括发热部件的温升δt、系统重量m和成本c。
[0027]
优选的，设计方案的输入为设计变量的取值，所述数据库的输出为目标函数值。
[0028]
优选的，步骤五中，以任意两个目标函数为横纵坐标轴将所有结果绘制出来前，设定约束条件，选取符合约束条件的数据结果进行绘制。
[0029]
优选的，所述约束条件包括设计尺寸限制和压降限制。
[0030]
基于tnm提出的热阻模型能够显著地减少计算时间，所建立的热阻模型较之传统模型精度更高，也能适应其他线圈类型、磁芯形状和散热方式，在权衡多个目标后，基于帕列托前沿的方法在设计空间内成千上万个方案中找到相对最优解。
[0031]
提出的改进热模型考虑了灌封材料、热界面材料和流体状态等影响导热散热的主要因素，从而产生更准确的结果，同时保持相对较低的计算复杂度，适用于无线充电系统的迭代热设计和优化算法的实现。
附图说明
[0032]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0033]
图1为一种无线充电系统冷却优化方法流程示意图；
[0034]
图2为磁耦合器横截面示意图；
[0035]
图3为磁耦合器精细化热阻模型示意图；
[0036]
图4为简化后的磁耦合器热阻模型示意图；
[0037]
图5为液冷板的固定参数和设计变量示意图。
[0038]
图6为可行解的结果绘制图。
[0039]
图中，1为线圈托，2为热熔胶，3为利兹线绕组，4为灌封材料，5为磁芯支架，6为导热垫片，7为气隙，8为金手指胶带，9为磁芯，10为液冷板，11为液体流道。
具体实施方式
[0040]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0042]
实施例1：
[0043]
请参阅图1所示，本发明提供一种无线充电系统冷却优化方法，具体包括如下步骤：
[0044]
作为流程图的输入，磁耦合部件在之前已完成设计，包括利兹线绕组、磁芯和屏蔽板的材料与尺寸。
[0045]
步骤一，为无线充电系统选择合适的冷却方法，合理布置散热部件(如散热器、冷却液流道等)的位置。举例：如果磁耦合器散热量大、散热面积小，而且可接入液冷循环系统，那么选择液冷方式，将磁芯固定在液冷板上，并且合理设计冷板内冷却液流道的直径、数量和长度。如果磁耦合器散热量小、散热面积大，可选择风冷方式，将发热部件(如线圈、磁芯、铝屏蔽板)表面安装散热翅片，并且合理设计翅片的高度、数量、长度。
[0046]
不同功率等级的线圈在不同冷却条件下所需的最小尺寸不同，如图6所示。例如，对于使用自然风冷的60cm直径的线圈，其充电功率限制在10kw；对于30kw自然对流的线圈，其最小尺寸为90cm因此，液冷/强制风冷对于20kw及以上的线圈是必要的。
[0047]
在功率损耗相同的情况下，对流换热系数越大，则所需的线圈尺寸越小；若尺寸不足，线圈易过热损坏。在设计过程中，可根据线圈的尺寸、功率等级和散热量，借助图6定性地确定冷却方式。
[0048]
步骤二，在发热部件，如绕组、磁芯和铝板，之间选择合适的热界面材料，如导热垫片、导热硅脂，以获得绝缘、耐高温特性和更好的导热效果。
[0049]
步骤三，计算系统损耗，使用有限元仿真获得磁芯损耗和屏蔽板的涡流损耗，借助解析模型计算利兹线绕组的损耗。
[0050]
该步骤用于估算磁耦合器工作时的发热量，可以看作磁耦合器的参数。
[0051]
步骤四，分析传热路径，建立磁耦合器的热阻模型并量化热阻值。
[0052]
传热方式包括传导、对流和辐射。辐射对磁耦合器的温升影响不大，此外，代表辐射的热阻是非线性的，这使得计算更加复杂，所以只考虑传导和对流。磁耦合器的热特性、热行为可以用等效热阻r
th
来表征，计算公式如下。
[0053]
对于热传导，若导热路径的长度为lc，等效横截面积为a，材料的导热系数为k，则对应的热阻公式为：值得注意的是，导热的有效截面积并不等于材料的截面积。对于热量依次通过两种材料的情况，如果两种材料的截面积和导热系数不同，建议在计算时乘以一个面积相关系数。
[0054]
对于热对流，材料表面和外界环境的热阻公式为：其中asurf为材料与环境的暴露面积，hconv为等效对流换热系数，它与流体类型、流动状态、材料形状等因素有关。
[0055]
根据上述公式，无论磁耦合器的结构、外形如何，选择液冷板还是散热翅片，使用
何种热界面材料，均可利用公式计算各材料各位置的等效热阻，即热网络法具有通用性，但是尤其适用于形状规则、结构简单、散热条件均匀的磁耦合器。因此，下面主要以简单的矩形线圈、满铺磁芯和液冷铝板的磁耦合器为设计案例，完成多目标热优化流程。
[0056]
无线充电系统磁耦合器的横截面如图2所示。该磁耦合器的液冷板10的作用为支撑、冷却和漏磁屏蔽，液冷板内部合理地布置若干液体流道11。在磁芯9和液冷板10的接触面依次为金手指胶带8、因倒置可能产生的气隙7和导热垫片6，磁芯支架5起固定作用。利用热熔胶2将利兹线绕组3固定在线圈托1上，通过螺钉将线圈托1固定在磁芯支架5上，利兹线绕组和磁芯之间存在灌封材料4。其中金手指胶带8、导热垫片6、灌封材料4为导热界面材料，具有增强导热效果、绝缘耐高温等特点。
[0057]
现有的解析热模型往往只考虑利兹线绕组的铜材料、磁芯材料和屏蔽板的铝材料，忽略了实际应用中固定支架、热界面材料和冷却液流动状态的影响，因此无法直接用于计算发热部件温升。本发明提出的精细化热阻模型将以上因素均考虑在内，在分析传热路径后建立了二维热阻网络，如图3所示。其中t
coil
是利兹线绕组表面温度，t
lw,hs
是利兹线内部热点温度，t
fe
是磁芯表面温度，t
fe,hs
是磁芯内部热点温度，t
liquid
是磁耦合部件位置下方的冷却液温度，t
amb
是环境温度。p
winding
、p
core
和p
al
分别代表线圈损耗、磁芯损耗和铝板涡流损耗。r
cf
和r
cf,cv
分别代表线圈托的传导热阻和与环境的对流热阻，r
ff
和r
ff,cv
分别代表磁芯支架的传导热阻和与环境的对流热阻，r
lcp
和r
lcp,cv
分别代表到磁芯到冷却液流道的传导热阻和与冷却液的对流热阻。r
hma
、r
pc
、r
pt
、r
tp
分别代表热熔胶、灌封材料、金手指胶带、导热垫片的传导热阻。r
lw,hs-surf
和r
fe,hs-surf
分别代表从利兹线热点到表面和从磁芯热点到表面的传导热阻。
[0058]rlw
代表利兹线的传导热阻，r
pc
代表灌封材料的传导热阻，r
pt
代表金手指胶带的传导热阻，r
fe
代表磁芯的传导热阻，r
tp
代表导热垫片的传导热阻，r
ag
代表气隙的传导热阻，r
pt’代表导热垫片的传导热阻，r
lcp
和r
lcp,cv
分别代表到磁芯到冷却液流道的传导热阻和与冷却液的对流热阻。r
lw-fe
代表从利兹线到磁芯的传导热阻，是r
lw
、r
pc
和r
pt
三者之和；r
fe-al
代表从磁芯到冷却液流道的传导热阻，是r
fe
、r
tp
、r
ag
和r
pt’四者之和。
[0059]
代入实际数值来量化热阻值，特别大和特别小的热阻可以视作断路和短路。那么在此基础上得到该热阻模型的简化版本，如图4所示。数据表明两种模型的误差不超过1％，因此使用图4的简化模型足以计算磁耦合器发热部件的温度。
[0060]
所述简化模型中，r
lw,hs-surf
、r
pc
、r
pt
、r
fe,hs-surf
、r
tp
、r
ag
、r
pt’、r
lcp
、r
lcp,cv
串联。
[0061]
步骤五，根据建立的磁耦合器热阻模型和量化热阻值选取冷却设备，将冷却设备的部分参数设为固定值，如冷却液流量、液冷板尺寸、散热片的高度。这些参数不是磁耦合器自身的参数，而是用于优化设计的冷却结构的参数；确定冷却设备的设计变量，并给出各自的取值范围和步长，比如液冷板中流道的数量、散热翅片的数量。
[0062]
步骤六，经过各变量取值的排列组合获得众多设计方案，计算每一个设计方案对应的参数，如对流换热系数h
conv
、热阻值r
th
、冷却液压降δp等。
[0063]
本实施例中从液冷板的设计和热界面材料的选择两方面对该磁耦合器进行热设计和优化。
[0064]
将液冷板的长度和宽度分别设为变量lo和wo。由于通道与液冷板边缘之间需要一定的空间，因此通道与液冷板边缘之间的最小间距设为b。另外，定义了7个决策变量：冷却
剂通道宽度w、通道高度h、通道数量n、弯道半径r、直道长度e、灌封化合物材料p、导热垫材料q。每种灌封材料和导热垫具有不同的导热率、重量和成本。当n＝3时，变量和参数如图5所示。
[0065]
步骤七，确定目标函数，如温升δt、系统重量m、系统成本c等；建立数据库，包含每个设计方案的输入(自变量取值)和输出(目标函数值)等信息。
[0066]
将发热部件的温升、系统重量和成本作为目标函数，并给出目标函数与各个参数(固定参数、设计变量)之间的解析表达式。同时，将液冷板的可用空间、最大温升和冷却液压降当作约束条件，那么该优化模型表述如下：
[0067][0068][0069]
设计方案总共有704000种组合。步骤八，剔除不符合约束条件的方案，如超出设计尺寸、不符合压降限制的设计。上述设计方案中，除违反约束的设计外，其余325728种组合的结果。
[0070]
步骤九，选取任意两个目标函数分别作为横纵坐标，将两个目标函数的所有结果绘制出来，直到所有的目标函数都被选择过至少一次为止，借助帕列托前沿选定所有目标函数的最优解；
[0071]
本实施例中绘制结果如图6所示。
[0072]
帕列托前面的任何点都被认为是"帕列托最优"。例如，帕列托前沿的设计可以以牺牲重量为代价使温升最小化，也可以以牺牲温升为代价使重量最小化，但是不可能同时降低温升和重量，这被描述为温升和重量之间的权衡。温升和系统成本之间也存在类似的权衡。
[0073]
优化流程的最后，可以借助帕列托前沿选取最优解点。
[0074]
本发明针对无线充电系统磁耦合器，建立的二维热网络由热源到环境的多条传热路径组成。传统的热阻模型仅考虑线圈的铜材料、磁芯的铁氧体材料，精细程度有限，无法准确反映发热部件的温度。提出的改进热模型考虑了灌封材料、热界面材料和流体状态等影响导热散热的主要因素，从而产生更准确的结果，同时保持相对较低的计算复杂度，适用
于无线充电系统的迭代热设计和优化算法的实现。
[0075]
本发明提出了一种基于帕列托前沿的磁耦合器多目标热优化方法及流程，它考虑了温升、重量和成本等目标函数，有助于无线充电系统实现更高的功率密度和更轻的重量。
[0076]
本发明基于tnm(热网络法，一种通过热电阻网络计算热行为的解析方法)提出的热阻模型能够显著地减少计算时间；比传统的热阻模型精度更高，最大误差不超过10％(相较于有限元模型和实验结果)；提出的热建模方法适应性好，同样适合其他线圈类型、磁芯形状和散热方式；提出的优化流程综合权衡多个设计目标，基于帕列托前沿的方法能够在设计空间内成千上万个方案中找到相对最优解。
[0077]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0078]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0079]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0080]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0081]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0082]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，基于tnm(thermal network method,热网络法)建立无线充电系统磁耦合器的热阻模型并量化热阻值；步骤二，根据步骤一中得到的热阻模型和热阻值选择冷却设备，将冷却设备的部分参数设为固定值，其余的参数确定为设计变量，并确定各设计变量的取值范围和步长；步骤三，经过各设计变量取值的排列组合获得多个设计方案；步骤四，确定优化的目标函数；步骤五，以一个目标函数为横轴，其他目标函数依次作为纵轴，，将各个设计方案对应的目标函数值绘制出来，借助帕列托前沿选定所有目标函数的最优解；选取最优解并作为无线充电系统的冷却设计方案，完成无线充电系统冷却优化。2.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤一中，对于磁耦合器的热传导热阻，计算公式为：式中，导热路径的长度为l
c
，等效横截面积为a，材料的导热系数为k；对于磁耦合器的热对流热阻，计算公式为：式中，a
surf
为材料与环境的暴露面积，h
conv
为等效对流换热系数。3.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤一中所述热阻模型为：r
lw,hs-surf
、r
pc
、r
pt
、r
fe,hs-surf
、r
tp
、r
ag
、r
pt’、r
lcp
、r
lcp,cv
串联；其中，r
lw,hs-surf
和r
fe,hs-surf
分别代表从利兹线热点到表面和从磁芯热点到表面的传导热阻，r
pc
、r
pt
分别为灌封材料、金手指胶带的传导热阻r
ag
代表气隙的传导热阻，r
pt’代表导热垫片的传导热阻，r
lcp
为磁芯到冷却液流道的传导热阻，r
lcp,cv
为磁芯与冷却液的对流热阻。4.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤二中，所述固定值包括冷却液流量、液冷板尺寸、散热片的高度。5.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤二中，所述设计变量包括液冷板中流道的数量、散热翅片的数量。6.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤四中，所述每一个设计方案对应的目标函数包括发热部件的温升δt、系统重量m和成本c。7.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，设计方案的输入为设计变量的取值，所述数据库的输出为目标函数值。8.如权利要求1所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，步骤五中，以任意两个目标函数为横纵坐标轴将所有结果绘制出来前，设定约束条件，选取符合约束条件的数据结果进行绘制。9.如权利要求8所述的一种无线充电系统冷却优化方法，其特征在于，所述约束条件包
括设计尺寸限制和压降限制。

技术总结
本发明属于无线充电系统散热领域，具体涉及一种无线充电系统冷却优化方法。本发明针对无线充电系统，建立的二维热网络由热源到环境的多条传热路径组成。传统的热阻模型仅考虑线圈的铜材料、磁芯的铁氧体材料，精细程度有限，无法准确反映发热部件的温度。提出的改进热模型考虑了灌封材料、热界面材料和流体状态等影响导热散热的主要因素，从而产生更准确的结果，同时保持相对较低的计算复杂度，适用于无线充电系统的迭代热设计和优化算法的实现。本发明提出了一种基于帕列托前沿的磁耦合器多目标热优化方法及流程，它考虑了温升、重量和成本等目标函数，有助于无线充电系统实现更高的功率密度和更轻的重量。的功率密度和更轻的重量。的功率密度和更轻的重量。


技术研发人员：崔小磊 杜韶华 王硕 杨康 徐艺航 赵宛莹 陈义 张博宁 黄珊
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/6/28