【几种无线电能传输技术（WPT技术）系统的仿真探究案例4600字】

1几种无线电能传输技术(WPT技术)系统的仿真分析案例几种无线电能传输技术(WPT技术)系统的仿真分析案例 11.1IC-WPT系统的仿真 11.1.1IC-WPT系统功率损耗分析 11.1.2IC-WPT系统实际仿真模型搭建 2 41.2ICR-WPT系统的仿真 61.2.1ICR-WPT系统仿真模型建立 61.2.2ICR-WPT系统初步仿真 81.2.3S-S、S-P、P-S、P-P式电容补偿结构的ICR-WPT系统仿真 9目前主流的WPT技术第二部分均进行了介绍与详细分析，其中IC-WPT技术与ICR-WPT技术是最具有实际应用价值的两种WPT技术，而且技术也相对而言成熟，本部分进行充电的标准，且技术不成熟，原理不明确，无法进行仿真，本部分不再进行对R-WPT1.1IC-WPT系统的仿真1.1.1IC-WPT系统功率损耗分析感应原理决定的无可避免的损耗，因此对于IC-WPT系统所进行的功率损耗主要会因欧姆损耗进而产生热损耗，也会造成BEV车体上二次侧接收端线圈附近的磁性导体部2分产生热损耗，随着温度的不断升高，极易造成安全隐患，例如对WPT装置附近的活体造成烫伤烧伤。因为IC-WPT系统并不是封闭式结构，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间存在一定空隙，所以对一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间混入的杂物也会造成发热甚至燃烧。如有磁性导体型物体如易拉罐等混入一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间，不光会因为电磁感应而变成纯电阻进行不断加热，更会改变一次侧发射端线圈原本发射的电磁场结构，使其无法对准二次侧接收端线圈。鉴于热场在IC-WPT系统仿真中占据十分关键的地位，因此本文仿真将针对电磁场与热场同时进行仿真试验。除等效欧姆电阻损耗外IC-WPT系统还有开关电碳损耗与磁性器件的损耗，因其无法进行仿真，因此只做讨论。1.1.2IC-WPT系统实际仿真模型搭建IC-WPT系统分为一次侧与二次侧，其中一次侧作为能量发射端，二次侧作为能量接收端，一次侧发射端中的核心部件为一次侧发射端线卷，二次侧接收端中的核心部件为二次侧接收端线圈。一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间的整体空间结构如下图3-1所示：一次侧与二次侧组成结构类似，均是底层由铝板支撑，铝板上覆盖铁氧化物，铁氧化物上放置着由导电性良好的铜导线所绕成的线圈，线圈由不导电，不具有磁性且阻燃的材料覆盖，自此就是各侧的内部结构组成。各侧的材料结构剖面图如下图3-2所示：3本次仿真因为针对电磁场与热场同步进行仿真，因此需要进行电磁仿真时的模型与进行热场仿真时的模型高度吻合，最好其参数一致，因此在建立模型时必须选择好合适的参数，搭建一个能够在电磁场仿真试验中与热场仿真试验中均可以使用的IC-WPT模型。在实际充电过程中，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈不能每次都达到完美的水平对齐角度无偏移状态，因此除对一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈完全对齐的状态进行模拟外有余力还将对未完全对齐的状态进行模拟，这里给出了水平与角度偏移条件下的线圈空间位置情况。IC-WPT仿真中电磁场部分主要由：构建几何模型，确定边界条件，设计等效电路，设置参数，进行仿真求解等这几步构成。其中构建几何模型的过程较为复杂，且与本文内容关4联不大，因此不在此赘述。边界设置采用零H切向分量的设置方法，且磁场物理边界在几何模型的最大基础上再增加十分之一。等效电路的设置为：电阻为传输功率的0.00367倍，且接地与电流流向也需要注意。各类IC-WPT系统目前的统一标准为85KHz,因此在频率设置时也需要设置为85KHz。各类参数设置完毕后经过系统校验即可开始仿IC-WPT仿真中热场部分主要由：模型的建立，添加负载，进行仿真求解这几步组成。负载的添加需要通过电磁场部分的仿真结果选取合适的参数进行添加，环境温首先进行仿真的自然是一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈完全对准的条件下进行的，经过仿真后获得了一次侧发射端线圈的自感，如下图3-4所示：0二次侧接收端线圈各自的自感，如下图3-5所示：0同时得到了一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间的耦合互感，如下图3-6所示：502仿真中同样得到了一次侧线圈与二次侧线圈之间电磁场分布的矢量图，如下图3-7所示：由图3-7的所示结果可得，当线圈为平面式圆形螺旋设计时产生的电磁场是非常理想的无极性扩散的电磁场。虽然辐射较为分散，导致其耦合系数较低，但有着均匀的优点，因此普适性较强，再加上这种线圈结构简单，因此算是一种较为理想的IC-WPT设计方式。通过M与L1、L2,求得当前耦合系数k为0.149,仿真结果与第二部分中进行的理论分析计算结果相比误差较小，均在百分之十以内，因此符合误差允许范围的要求，可根据本次电磁场仿真中获得的结果设定负载参数，并结合最初设定的参数进一步进行热场仿真。经过仿真后得到IC-WPT系统整体的热度分布情况：6通过图3-8,可见其功率损耗最严重部分的即是热度最高的部分，也就是一次侧发射端线圈，这也与第二部分中理论分析的结果相吻合。二次侧接收端连接负载后一次侧会等效出电阻，因此产生欧姆损耗。金属板产生的涡流却并不如预计的那样会产生极为严重的损耗，与线圈的欧姆损耗比相形见绌。而系统整体的漏磁损耗与磁滞损耗也很低，虽然达不到可以完全忽略的程度，但在设计IC-WPT系统时基本可以不多加考虑。综上所示，此次仿真证明IC-WPT系统具有着良好的适用性，随能量集中程度不高，但结构简单，能量损耗与发热量在可控范围内，基本达到了第二部分中理论分析所得的结果。ICR-WPT系统因其使用先进的ICR电磁谐振耦合原理进行电能传输，因此在ICR-WPT系统仿真时需要结合其原理特点考虑。ICR-WPT系统中虽然也会因为二次侧接收端接入负载导致一次侧接收端等效电路中产生等效欧姆电阻，但在理论分析阶段我们已经得出结论，ICR-WPT系统不同于IC_WPT系统，因其传输原理的差别，二次侧接收端线圈在工作时的状态是处在与一次侧发射端线圈频率完全相同的谐振中，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈均发出电磁场且形成耦合，因此在IC-WPT系统中一次侧发射端中等效的欧姆电阻在ICR-WPT系统中因为影响较小所以可不予考虑。目前已有的对ICR-WPT进行的很多实验都表明，ICR-WPT系统在一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈发出的电磁场交磁时会产生IC-WPT系统中类似的涡流，但远远小于IC-WPT中涡流对系统产生的影响，IC-WPT中的涡流对系统影响有限，因此在涡流对系统影响更小的ICR-WPT系统中直接忽略。7ICR-WPT系统中一次侧线圈发射端线圈与二次侧接收端线圈也会因为处于自身发出的磁场中产生自耦，但因其自身发出频率较高的磁场，二次侧接收端线圈虽然作为能量接收端但却同样发出磁场，其自身在交磁中产生的自耦对系统影响甚微，因此可忽略这种微不足道的自耦。在ICR-WPT的建模过程中必须要清楚，虽然ICR-WPT系统产生的交变电磁场会蔓延到线圈范围以外很远的地方，但在仿真过程中却需要设定好边界，在边界内进行仿真，才会得到比较真实的仿真结果。ICR-WPT系统产生的交变电磁场集中程度要好于IC-WPT系统，因此在距离ICR-WPT系统较远的位置时电磁场强度已经微乎其微，对系统的影响已可被忽略，如下图3-9中小半圆与大半圆中间所夹的部分。我们将这种部分称为电磁场外围区域，在仿真中忽略外围区域及其以外区域的电磁场，因此将边界设定至电磁场外围区域，外围区域及以外认为没有磁场。图图ICR-WPT系统中我们认为并不存在欧姆电阻，因此在进行仿真时无需考虑如同IC-WPT系统中的热场，只需对电磁场进行仿真。建立模型的详细参数在此不必赘述，只指出模型建立过程中几点关键之处：ICR-WPT系统与IC-WPT系统不同，IC-WPT系统的二次侧接收端线圈最好小于一次侧发射端线圈，这样才能有效地进行能量拾取，但ICR-WPT是通过一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈同时发出频率相同的交变电磁场进行电磁谐振耦合进行能量传输，目前所存在的很多研究结果表明当一次侧接收端线圈与二次侧接收端线圈参数较为一致时传输效率较高，因此此次仿真也将一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈设置为相同参数，来达到较高的耦合效果。本次仿真所设置频率与目前已知的能够进行ICR式WPT传输的频率一致，所采用的是11.5MHz,另一频率虽然理论上效率更高，但因目前技术不够成熟研究不够充分因此无法进8行仿真。经过初步仿真得到的线圈电磁场耦合强度如下图3-10图所示，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈周围由高频变化的交流电能输入形成的交变电磁场强度基本一致，可形成近似对称，结果比较理想。0图3-11为线圈周围电磁场内的磁感应线分布情况，通过图中的磁感应线分布我们可以看到，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈内部的磁感应线密集程度远远大于线圈外的散射磁感应线，因此其线圈之间电磁耦合程度是相当高的，基本已达到了预期的效果。且由此也可以得出初步判断：ICR-WPT系统效率因其磁场集中，一次侧发射端线圈与9初步仿真后，又对ICR-WPT系统影响最大的因素———次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间距离的几种不同情况进行了仿真。如下图3-12所示。由图3-12的仿真结果可知一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈相距越近两线圈之间在第二部分对ICR-WPT进行理论分析时，本文根据一次侧发射端电路与二次侧接收端电路中电容补偿方式串联并联的不同，提出了四种结构的ICR-WPT系统，分别是S-S即串因此需对其进行仿真试验，通过同样参数下得到的仿真结果来进行比较，判定四种方式的经过建模、等效电路的设置、参数选择、仿真后得到了