基于QI标准线圈的磁谐振无线充电系统仿真研究.pdf

计算机工程应用技术本栏目责任编辑 梁书 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第11卷第10期 2015年4月 基于QI标准线圈的磁谐振无线充电系统仿真研究 陈艳 陈新 湖南人文科技学院 湖南 娄底417000 摘要 该文采用Qi标准A5线圈对磁谐振式无线充电进行了仿真研究 该文首先利用交流阻抗方法推导出磁谐振无线充电 系统的传输效率和负载功率 接着利用Maxwell有限元软件对A5线圈电感 线圈内阻 耦合系数和磁场强度等进行有限元 仿真 最后利用Maxwell有限元软件和Simplorer电路仿真软件进行联合仿真验证了理论的正确性 仿真结果证明采用磁 谐振式无线充电比Qi标准电磁感应式无线充电的传输距离更远 传输效率更好 关键词 无线充电 Maxwell Simplorer Qi标准 中图分类号 TP311文献标识码 A文章编号 1009 3044 2015 10 0207 03 Simulation Research of Magnetic Resonance Wireless Charging System Based on QI Specifications Coil CHEN Yan CHEN Xin Hunan University of Humanities Science and Technology Loudi 417000 China Abstract This paper uses the Qi standard A5 coil of magnetic resonance wireless charging simulation The paper researched the magnetic resonance wireless charging system using the Qi specifications A5 coil Firstly the paper deduced the system transmis sion efficiency and load power of magnetic resonance wireless charging system by AC impedance method then the A5 coils induc tance resistance coupling coefficient and the intensity of the magnetic field was calculated and simulated using the finite element software Maxwell finally the co simulation to verify the correctness of the theory by using Maxwell and Simplorer software The simulation results show that the magnetic resonance wireless charging system have better transmission distance and better trans mission efficiency than Qi electro magnetic induction charging system Key words Wireless power transfer Maxwell Simplorer Qi specifications 1 前言 近十年无线充电技术成为最热门的研究发展方向之一 面 向无线充电技术的无线充电方式主要包括4种方式 电磁感应 方式 磁谐振方式 电场耦合方式和电波接收方式 目前无线 充电大部分采用了电磁感应方式 电磁感应式无线充电技术已 经量产并且通过安全与市场验证 其中包括目前已经商业化的 无线充电Qi标准 在生产成本上电磁感应式技术的产品也要低 于其它技术 但是基于电磁感应无线充电技术充电距离有限 当距离变大时 效率会急剧下降 对四种无线充电技术进行对 比 电磁感应充电有效距离太小 充电效率太低 而磁谐振充电 的距离 传输效率较高 是无线充电技术的发展方向 磁谐振 基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效 的能量交换 电量可以在以同样频率发生共振的线圈之间进行 无线传输 本文利用Qi标准A5线圈实现磁谐振无线充电和Qi标准 电磁感应方式进行对比研究 在推导磁谐振无线充电系统的 传输效率和负载功率的前提下 利用Maxwell有限元软件对A5 线圈进行了有限元仿真 并利用Maxwell软件和Simplorer电路 仿真软件进行联合仿真验证理论推导结果 仿真实验结果证 明磁谐振式无线充电比Qi标准电磁感应式无线充电的传输距 离更远 传输效率更好 2 磁谐振式公式推导 如图 1 所示为磁谐振无线电能传能系统等效电路模 型 1 2 3 RLL1L2 M I1I2 C1C2 R1R2 V1 V2 PLPI 图1 磁谐振无线充电电路示意图 根据基尔霍夫电压定律 KVL 和线圈互感模型得到以下 方程 V1 I1 R1 j L1 1 C1 I2 j M 0 I1 j M I2 RL R1 j L2 1 C2 1 式中 V1 原边电压源电压 收稿日期 2015 03 02 基金项目 本文得到湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目资助 作者简介 陈艳 1993 湖南人文科技学院本科在读 自动化专业 E mail kfyj Tel 86 551 65690963 65690964 ISSN 1009 3044 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术 Vol 11 No 10 April2015 207 DOI 10 14004 ki ckt 2015 0453 本栏目责任编辑 梁书 计算机工程应用技术 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第11卷第10期 2015年4月 谐振角频率 2 f I1 I2 分别代表发送线圈和接收线圈电流 R1 R2 分别代表发送线圈和接收线圈等效电阻 RL 负载 C1 C2 分别代表发送线圈和接收线圈串联共振电容 L1 L2 发送线圈和接收线圈的等效电感 M 接收与发送线圈之间的互感 对于图1中S S拓扑结构 定义如下阻抗 Z1 R1 j L1 1 C1 Z2 RL R2 j L2 1 C2 2 将 2 代入 1 求解方程得到发送与接收线圈电流 I1 1 Z1Z2 M 2 Z2V1 I2 1 Z1Z2 M 2 j M V1 3 因此磁谐振无线充电系统负载功率和输入功率分别表示 为 PL I2 2R L V 2 1 M 2R L Z1Z2 M 2 2 PI V1 I1cos V 2 1 Z2 Z1Z2 M 2 2 cos 4 磁谐振无线充电系统的传输效率为 PL PI M 2RL Z2 Z1Z2 M 2cos 5 当系统处于谐振状态时 Z1 R1 Z2 RL R2 6 将 6 式代入到 5 式 解出方程得到传输效率如下 PL PI M 2RL RL R2 R1 RL R2 M 2 7 从公式 7 得到结论 系统传输效率与线圈之间互感 内阻 和负载与传输效率有直接关系 而线圈之间互感和负载对传输 效率影响较大 如果仅有一个线圈达到谐振或者两个线圈谐 振频率不一致 传输效率将有可能降低 将 6 式代入 4 式 解出方程得到负载功率如下 PL I2 2R L V 2 1 M 2R L R1 RL R2 M 2 2 8 负载功率与源输出电压 线圈之间互感和负载都有直接关 系 3 Maxwell有限元仿真 Maxwell仿真软件具有向导式的用户界面 高精度的自适 应部分技术和强大的后处理功能 Maxwell可以分析涡流 位移 电流 集肤效应和邻近效应等 通过仿真可以得到电机 母线 变压器 线圈等电磁部分的整体特性 功率损耗 线圈损耗 某 一频率下的阻抗 力 转矩 电感 储能等参数可以通过仿真计 算得到 同时软件也可以给出整个相位的磁力线 B H分布 图 能量密度 温度分布等图形结果 4 如图2所示为Qi标准 A5线圈的Maxwell 3D模型 图2 Maxwell 3D 模型 A5 线圈采用多股LITZ线缠绕而成 LITZ线可以有效降低 集肤效应降低线圈内阻 LITZ线缠绕可以有效提高自感和耦 合系数 在Qi 标准系统中耦合系数K范围一般从0 2 到0 7 为了提高耦合度 底板屏蔽材料可以选择铁氧体屏蔽材料 因 为铁氧体屏蔽材料起到了一个磁通短路的作用 保证磁场线大 部分集中在两个线圈之间 最大限度的减少漏磁 5 b 图3 Maxwel3D模型与磁场强度分布图 如图3所示为线圈之间磁场强度的仿真结果 其中外部激 励为1A电流 仿真工作频率为100KHz频率 线圈距离为30mm 的情况下仿真得到的磁场强度分布情况 磁场强度在线圈靠 近内侧保持最强 同时铁氧体和隔磁材料最大限度的减少线圈 边缘的漏磁 接收线圈接收的磁通量越多 表明两个线圈之间 的耦合程度越高 如表1所示为Qi标准中的A5线圈标准值与仿真值对比结 果 仿真结果与Qi标准中规定值接近 表1 Maxwell有限元仿真值与实验值结果比较 项目 发送线圈电感 接收线圈电感 发送线圈内阻 接收线圈内阻 仿真值 6 5 uH 9 7 uH 0 035 0 230 Qi标准值 6 3 10 uH N A N A N A Qi标准中的A5发送线圈与对应接收线圈之间的耦合系数 距离曲线如图4所示 在线圈距离30mm耦合系数降为0 1左 右 208 计算机工程应用技术本栏目责任编辑 梁书 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第11卷第10期 2015年4月 051015202530 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 mm 图4 线圈之间耦合系数曲线 4 Maxwell 和Simplorer软件进行联合仿真 Simplorer是一款直观的 多领域 多技术的仿真软件 该软 件可以使工程师模拟复杂的电力电子和电控系统进行仿真分 析 6 如图5所示为Maxwell 和Simplorer软件进行联合仿真界 面 图5Maxwell 和Simplorer联合仿真 Maxwell和Simplorer进行联合仿真时 Maxwell主要负责线 圈电磁部分的有限元分析 其中主要包括线圈自感 互感和耦 合系数等参数有限元计算 并同时将Maxwell有限元分析的状 态空间方程输出到Simplorer进行电路仿真 7 如表2所示 在负载等于2 时 通过联合仿真得到的线圈 不同传输距离的传输效率 负载功率 表2 联合仿真结果 线圈距离 mm 10 15 20 30 传输效率 0 88 0 85 0 80 0 68 负载功率 11 4W 8 0W 4 2W 1 4W 从表中可以看到采用磁谐振式无线充电方式比电磁感 应式无线充电在同等传输距离有更高的传输效率和负载功率 5 结论 本文利用Qi标准中的A5线圈对磁谐振式无线充电进行仿 真研究 在线圈距离30mm左右实现了68 的传输效率和1 4W 的负载功率 仿真结果显示采用磁谐振式相对电磁感应式无 线充电可以达到较高的传输效率和更高的负载功率 参考文献 1 陈新 张桂香 电磁感应无线充电的联合仿真研究 J 电子测 量与仪器学报 2014 4 2 戴欣 余奎 孙跃 CLC谐振型感应电能传输系统的 H 控制 J 中国电机工程学报 2010 30 30 47 54 3 马皓 孙轩 原副边串联补偿的电压型耦合电能传输系统设计 J 中国电机工程学报 2010 30 15 48 52