【《无线电能传输系统仿真设计案例》2700字】

无线电能传输系统仿真设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2675无线电能传输系统仿真设计案例 1207361.1引言 1317261.2系统电路拓扑 196801.2.1系统的整体设计方案 1299131.2.2整流滤波电路 1316521.2.3逆变电路 4158071.2.4DCDC变换电路 575311.3系统整体电路设计 5142791.4无线充电系统的仿真 6252631.1.1无偏移线圈仿真结果 6227371.1.2有垂直偏移无水平偏移线圈仿真结果 7318821.1.3无垂直偏移有水平偏移线圈仿真结果 91.1引言主要讲能量接受机构的设计，设计的主要目的也是增大系统的传输效率，减小能量损耗。1.2系统电路拓扑1.2.1系统的整体设计方案本文的磁耦合谐振式无线电能传输系统的组成部分主要包括：100V直流电源，高频逆变器、线圈耦合机构、全桥整流。系统的主要工作原理为：直流电输入到系统，经过高频逆变器成为100kHz的交流电，高频交流电通过线圈从一次侧传输到二次侧，再经过整流和直流变换器输送给负载，实现无线电能的传输。图4-1WPT系统整体设计方案1.2.2整流滤波电路一般来说，负载端接受的为直流电，但是耦合线圈传输的是高频交流电。因此需要设计一个整流滤波电路。整流滤波电路在能量接收端，其作用为将传送到次级线圈的高频交流电转化为直流电。主流的整流电路拓扑有三种：半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。但是半波整流电路会损耗一半的电流，不提倡使用。桥式整流电路结构简单，传输效率高，适用于本系统的整流滤波电路拓扑。图4-2为桥式整流电路拓扑图。图4-2桥式整流电路拓扑图考虑到整流之后的电路得到的电压仍旧有波动成分，会导致谐波含量增高，电路损耗较大，因此需要加上一个滤波的电路。主流常用电容滤波、电感滤波和复式滤波这三种滤波方式。电容滤波通常将电容并联在输出端，电容的特性为对直流电的抗性极大，但是对交流电的阻抗较小，可以通高频阻低频，因此将电容并联在输出端时，可以将高频的谐波信号进行滤波。但是电容滤波的电容寿命较小，并且性能常受温度的影响。电感滤波的原理和电容滤波相反，电感的特性是对直流电的阻抗很小，但是对交流电的阻抗很大。因此当电路中加入电感之后，电压的波动会减小。复式滤波既有电容也有电阻，常见的包括LC滤波、π型滤波。考虑以上三种类型的滤波电路的性能以及损耗，本系统采用电容滤波的形式，将电容并联在输出端的两端。加上电容滤波后的全桥整流拓扑如图4-3所示。图4-3全桥整流滤波电路全桥整流电路的原理是：二极管和是一组，二极管和是一组。当电压正半周期通过时，和依次导通，而二极管和断开；当电压负半周期通过时，和依次导通，而二极管和断开。两组二极管在一个周期内按次序交替工作，使得输出电压的方向保持不变，实现直流输出给负载。系统传输线圈得到的输出电压为方波，而输出电流为正弦波。在Simulink中搭建整流滤波电路部分如图4-4，输入电压的峰值为100V，频率为100kHz，可以得出整流滤波的波形如图4-5所示。图4-4Simulink整流电路模型搭建图图4-5整流电路输出电压电流图1.2.3逆变电路磁耦合谐振无线电能传输需要线圈的电压在高频下进行传输，我国家庭电源50Hz无法满足高频传输的要求，因此需要先将50Hz交流电进行整流，再将所获得的直流电高频逆变得到高频交流电。工程中全桥逆变是比较成熟的逆变方式，本系统采用全桥逆变拓扑，拓扑图如图4-6所示。图4-6全桥逆变拓扑在Simulink中对系统的逆变电路部分进行仿真，直接输入100V的直流电压，开关频率设置为100kHz的高频，搭建的电路图如图4-7所示，仿真结果如图4-8所示。图4-7Simulink高频逆变电路模型搭建图图4-8逆变电路仿真结果1.2.4DCDC变换电路高频交流电经过整流电路之后可以得到直流电路，但是得到的直流电路的电压大小不受控制，直接提供给负载的话容易引起电池损坏，因此在整流电路和负载之间需要增加DCDC变换电路。常见的DCDC变换电路根据功能不同可以分为升压斩波电路（BuckChopper）、降压斩波电路（BoostChopper）、升降压斩波电路（Buck-BoostChopper）以及Cuk斩波电路。本系统需要一个能降低电压的直流变换器，因此选用Buck降压电路，电路拓扑如图4-9所示。图4-9Buck电路拓扑1.3系统整体电路设计1.3.1系统整体模型搭建本系统对实际应用的系统进行简化，从100V直流电开始，依次通过高频逆变电路、线圈耦合机构、全桥整流电路、降压斩波电路实现对负载的供电。图4-10无线充电系统的Simulink模型搭建本系统的工作原理如下：经过简化，电网的50Hz交流电整流为100V直流电开始，经过一个高频的全桥逆变电路，变成100kHz的高频交流电。当计算好线圈参数电容和电感与交流电频率的情况下，在线圈传输时发生电磁谐振，使电能从一次侧线圈传输到二次侧线圈。二次侧先接入带滤波电容的全桥整流电路，使高频交流电成为纹波较小的直流电。直流电经过降压斩波电路控制直流电的大小，并稳定直流电，最后提供给负载。1.4无线充电系统的仿真1.1.1无偏移线圈仿真结果根据第三章对线圈耦合机构的分析，得到了耦合系数较高的线圈参数，通过谐振频率计算公式可得谐振电容的参数。表4-1系统仿真参数参数数值原边电感150.0uH副边电感150.0uH互感M30.0uH原边电容16.23nF副边电容16.23nF耦合系数0.2原边线圈等效电阻0.3Ω副边线圈等效电阻0.3Ω负载25Ω副边Buck电路电感副边Buck电路电容31nF输入直流电压100V系统工作频率100kHz系统的输入电流和输入电压的波形图如图4-11所示，输入电压为直流电压恒定值100V，输入电流的平均值为1.5001A，因此输入功率大小为450.1w。图4-11无偏移时输入电流和输入电压波形本系统实际输出的电压电流曲线如图4-12所示，输出电压的平均值为87.69V，输出电流的平均值为1.384A，因此输出功率大小为381.5w。通过系统传输效率的计算公式可得，本系统在线圈的水平偏移为0，垂直偏移为5cm时，系统的传输效率为85.42%。图4-12无偏移时输出电流和输出电压波形1.1.2有垂直偏移无水平偏移线圈仿真结果根据第三章的仿真结果，当垂直偏移为10厘米，没有水平偏移时，系统仿真的参数仅需将线圈互感调整为27uH，其他参数不改变，再次进行仿真。系统的输入电流和输入电压的波形图如图4-13所示，输入电压为直流电压恒定值100V，输入电流的平均值为5.395A，因此输入功率大小为539.5w。

图4-13有垂直偏移无水平偏移时输入电流和输入电压波形本系统实际输出的电压电流曲线如图4-14所示，输出电压的平均值为93.84V，输出电流的平均值为1.692A，因此输出功率大小为440.3w。图4-14有垂直偏移无水平偏移时输出电流和输出电压波形通过系统传输效率的计算公式可得，本系统在线圈的水平偏移为0，垂直偏移为10cm时，系统的传输效率为81.61%。1.1.3无垂直偏移有水平偏移线圈仿真结果根据第三章的仿真结果，当垂直偏移为5厘米，水平偏移为5厘米时，系统仿真的参数仅需将线圈互感调整为28uH，其他参数不改变，再次进行仿真。系统的输入电流和输入电压的波形图如图4-15所示，输入电压为直流电压恒定值100V，输入电流的平均值为5.135A，因此输入功率大小为513.5w。图4-15无垂直偏移有水平偏移