基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)傳輸效率的仿真研究*

熊承龍，沈 兵，趙 寧*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京211189;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)傳輸效率的仿真研究*

熊承龍1，沈 兵2，趙 寧2*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京211189;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

基于互感理論和耦合理論為無線充電的耦合線圈建立了分析傳輸效率的模型，得到了影響傳輸效率的關(guān)鍵因素:兩線圈半徑及相對(duì)大小、線圈相對(duì)位置、線圈匝數(shù)、工作頻率和負(fù)載等。隨后結(jié)合微小型無線充電設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，利用Ansoft公司的電磁仿真軟件Maxwell并采用控制變量法對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行模擬仿真分析。最后根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，總結(jié)出提高該無線充電設(shè)備傳輸效率的若干方法。

傳輸效率;無線充電;互感系數(shù);模擬仿真

近年來，各類移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)的充電方式會(huì)導(dǎo)致滿桌的電線十分雜亂，給人們帶來諸多不便，在這樣的背景下無線充電技術(shù)孕育而生。現(xiàn)有的無線充電技術(shù)主要有3種，分別是電磁感應(yīng)、磁共振和無線電波。綜合它們各自的優(yōu)勢(shì)［1］，并結(jié)合微小型無線充電設(shè)備體積小、重量輕的特點(diǎn)，感覺電磁感應(yīng)技術(shù)較適合于該類設(shè)備的制造。

1 電磁感應(yīng)充電原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律:線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過線圈的磁通量的變化率成正比。因此系統(tǒng)分為發(fā)射側(cè)與接受側(cè)兩部分，如圖1所示［2］。

向微小型無線充電設(shè)備充電器底座(發(fā)射側(cè))輸入直流電，通過有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給發(fā)射線圈，發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，嵌入微小型無線充電設(shè)備中的接收線圈(接受側(cè))感應(yīng)到此變化磁場(chǎng)，即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過整流濾波使之成為直流電，供給微小型無線充電設(shè)備電池，即完成充電過程。

圖1 電磁感應(yīng)充電原理

對(duì)設(shè)計(jì)的無線能量傳輸系統(tǒng)，可以建立如圖2所示的等效電路模型［3］。Rp、Rs分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻，Cp、Cs分別為發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的補(bǔ)償電容。Up為加在發(fā)射線圈上的等效交流電源，其頻率為ω，RL為等效負(fù)載阻抗，M為線圈互感。

圖2 等效電路模型

利用基爾霍夫定律可以寫出回路方程:

定義接收側(cè)回路反映到發(fā)射側(cè)中的等效電阻［4］Rd=ωMIs/Ip，代入式(3)、式(4)，得:

線圈傳輸效率為接收側(cè)負(fù)載上得到的功率和發(fā)射側(cè)輸入功率之比［5］，即

計(jì)算得:

可以看到，傳輸效率與M，ω，Rs，Rp，RL有關(guān)，其中互感系數(shù)M又與線圈軸向間距L、線圈徑向位錯(cuò)S、接收線圈直徑Dr、發(fā)射線圈直徑Dt、線圈匝數(shù)N密切相關(guān)［6］。

2 仿真建模分析

2.1 模型建立

利用Maxwell軟件建立3D磁瞬態(tài)場(chǎng)模型，如圖3所示。給予發(fā)射線圈5 V的正弦電壓激勵(lì)，設(shè)定發(fā)射線圈的純阻抗為0.01Ω，包括磁芯的發(fā)射線圈電感量為20μH，接收線圈的純阻抗為0.1Ω，包括磁芯的接收線圈電感量為10μH，內(nèi)部剖分最大單元長度為10 mm。

圖3 軟件模型

為分析各個(gè)因素對(duì)傳輸效率的影響，軟件模擬時(shí)采用控制變量法。常量選擇時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，首先確定接收線圈直徑Dr不能大于50 mm［7］，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，其他參數(shù)常量最終選定如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a～f)所示。

從圖4(a)中可以看出線圈傳輸電能的效率隨線圈間距L的增大下降的很快，當(dāng)間距為10 mm時(shí)，效率只有線圈貼合時(shí)的13%。

從圖4(b)中可以看出，當(dāng)fi小于100 kHz時(shí)，效率隨著fi提高而提高，當(dāng)fi大于170 kHz時(shí)，效率基本隨著fi降低而降低。

從圖4(c)中可以看到效率隨著線圈匝數(shù)N增大而增大。

設(shè)線圈半徑偏移量r=(Dr-Dt)/2，從圖4(d)中可以看到，當(dāng)線圈外徑偏移量r為0時(shí)，即接收線圈與發(fā)射線圈大小相等時(shí)，效率達(dá)到最大值。

從圖4(e)中可以看到，當(dāng)負(fù)載RL為6Ω時(shí)效率達(dá)到最大值。

從圖4(f)中可以看到，傳輸效率對(duì)于徑向位錯(cuò)十分敏感，徑向位錯(cuò)為5 mm的效率僅為無徑向位錯(cuò)時(shí)效率的56.98%。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與展望

根據(jù)以上模擬仿真分析的結(jié)果，為提高微小型無線充電設(shè)備充電效率，應(yīng)盡量縮短發(fā)射線圈與接收線圈的軸向間距，使線圈盡可能貼近，比如可將接收線圈嵌入微小型無線充電設(shè)備的后殼;控制工作頻率在100 kHz～170 kHz之間;在外界條件(尺寸)能允許的情況下，盡量增加線圈匝數(shù);接收線圈與發(fā)射線圈直徑應(yīng)相等或相近，由于接收線圈直徑已定為50 mm，因此發(fā)射線圈直徑也應(yīng)為50 mm;本仿真條件下適用的負(fù)載為3Ω～13Ω，基本可以滿足一般微小型無線充電設(shè)備充電需求;由于效率隊(duì)徑向位錯(cuò)十分敏感，為了避免效率大幅降低，可用磁鐵對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈的位置進(jìn)行定位。

圖4

3 結(jié)束語

自無線充電聯(lián)盟(WPC)成立以來，無線充電技術(shù)越來越受到人們關(guān)注，同時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，即如何提高無線充電的效率也是十分艱巨的。本文從電磁感應(yīng)線圈耦合的角度為提高傳輸效率提出了若干建議。對(duì)該項(xiàng)研究進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)以及大功率推廣將是下一步的研究方向。

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Simulation Research on Energy Transm ission Efficiency of W ireless Charging Technology Based on the Electromagnetic Induction*

XIONG Chenglong1，SHEN Bing2，ZHAO Ning2*
(1.Department.of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 211189，China; 2.Department of Electronic Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

Themodel analyzing transmission efficiency based on themutual inductance theory and the coupling theory is established for the coil of wireless charging.Transmission efficiency is affected with radius of the coil，relative size，relative location，turns per coil，working frequency，etc.Then considering the application of themicrominiature wireless charging，some key factor has been simulated analysis by AnsoftMaxwell.At last，somemethods to improve the transmission efficiency ofwireless charging have been concluded.

transmission efficiency;wireless charging;mutual inductance;simulate analysis

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.031

TM 15;TM 910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0131-03

項(xiàng)目來源:2012年國家砂創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目

2013-04-21修改日期:2013-05-10

EEACC:5140

熊承龍(1992-)，東南大學(xué)熱能與動(dòng)力工程本科，381864562@qq.com;

趙 寧(1961-)，男，江蘇南京人，東南大學(xué)，本科，工程師，主要研究方向?yàn)檎婵占夹g(shù)、電子技術(shù)的教學(xué)與科研工作，njzhao88@163.com。