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        電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線輸能的場(chǎng)-路混合仿真

        2020-12-18 02:08:00貽,陳
        無(wú)線電工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:諧振線圈耦合

        鐘 貽,陳 星

        (四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610065)

        0 引言

        非輻射無(wú)線能量傳輸按照原理分為磁感應(yīng)耦合和磁諧振耦合。磁感應(yīng)耦合式無(wú)線能量傳輸應(yīng)用松耦合原理,與變壓器原理類(lèi)似[1],奧克蘭大學(xué)提出并行IPT電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁耦合感應(yīng)無(wú)線輸能系統(tǒng),輸能效率高達(dá)94%[2]。磁諧振耦合式無(wú)線能量傳輸可實(shí)現(xiàn)比磁耦合感應(yīng)式無(wú)線能量傳輸更遠(yuǎn)的輸能距離,它由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等人在2007年首次提出[3]。磁諧振耦合式無(wú)線能量傳輸在電動(dòng)汽車(chē)、植入式醫(yī)療設(shè)備、電子產(chǎn)品充電[4-6]等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

        1 場(chǎng)-路混合仿真算法原理

        本文提出一種新的場(chǎng)-路混合仿真方法。基于混合仿真原理,將電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線輸能系統(tǒng)劃分為線圈耦合單元與電路單元2部分,如圖1所示?;旌戏抡嬷须娐穯卧粌H包括放大電路,還包括耦合線圈的等效電路模型,將耦合線圈和放大電路相互影響和匹配納入仿真中,因此提高了仿真的準(zhǔn)確性。

        圖1 電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)Fig.1 Structure diagram of Induction/Resonance Wireless Power Transfer System

        電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線輸能系統(tǒng)可分為線圈耦合單元與電路單元,針對(duì)線圈耦合單元仿真:在文獻(xiàn)[7]中使用ANSYS仿真分析得到中繼線圈與傳輸距離的關(guān)系,文獻(xiàn)[8]中使用Simulink仿真計(jì)算得到線圈距離與傳輸效率的曲線關(guān)系,文獻(xiàn)[9]中使用CEDRAT Flux 3D仿真分析電磁耦合機(jī)構(gòu)互感的變化,文獻(xiàn)[10]中使用Maxwell仿真得到線圈耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)與傳輸距離的關(guān)系。電路單元仿真:在文獻(xiàn)[11-12]中使用Orcad、ADS對(duì)效率和功率等進(jìn)行仿真分析,文獻(xiàn)[13]中使用Saber進(jìn)行仿真,建立針對(duì)負(fù)載的參數(shù)掃描,通過(guò)瞬態(tài)分析得出負(fù)載與輸出功率的曲線。但上述仿真方法是對(duì)線圈耦合單元與電路單元分別仿真,忽略了二者組成系統(tǒng)后的相互影響和匹配,導(dǎo)致仿真誤差較大。本文提出的場(chǎng)-路混合仿真方法可將二者的相互影響和匹配納入仿真中,減少仿真誤差。

        本文提出的電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線輸能場(chǎng)-路混合仿真是采用Comsol軟件對(duì)線圈單元進(jìn)行電磁仿真計(jì)算,得到線圈自感值Li(Lj)及線圈間的互感Mij、耦合系數(shù)kij(通過(guò)式(1)[14]計(jì)算得到對(duì)應(yīng)線圈之間的耦合系數(shù)kij,其中i=1,2,3,4;j=1,2,3,4),并將自感值和耦合系數(shù)帶入Multisim軟件進(jìn)行電路仿真,系統(tǒng)效率為電路仿真效率。

        (1)

        2 磁耦合諧振式無(wú)線輸能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        為檢驗(yàn)場(chǎng)-路混合仿真的準(zhǔn)確性,以磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為例,本文設(shè)計(jì)加工制作了一套諧振頻率為5 MHz的四線圈[15-17]磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。

        耦合線圈單元采用四線圈并聯(lián)諧振電路,原理圖如圖2所示。選用銅導(dǎo)線密繞線圈,尺寸如表1所示。

        圖2 四線圈并聯(lián)諧振電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of parallel resonance circuit with four coils

        表1 線圈尺寸
        Tab.1 coil size

        符號(hào)含義設(shè)計(jì)數(shù)值y源(負(fù)載)線圈半徑90 mmb發(fā)射(接收)線圈半徑130 mma導(dǎo)線半徑1.25 mmN發(fā)射(接收)線圈匝數(shù)4匝

        電路單元包括E類(lèi)放大電路[18-20]與線圈耦合單元的等效電路,其中E類(lèi)放大原理圖如圖3所示。

        圖3 E類(lèi)放大電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of class E amplifier circuit

        本文設(shè)計(jì)磁耦合/電路單元含義數(shù)值如表2(對(duì)應(yīng)圖2和圖3中各參數(shù))所示。

        表2 線圈耦合諧振式無(wú)線輸能系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

        Tab.2Designparametersofcoilcoupledresonantwirelesspowertransfersystem

        符號(hào)含義設(shè)計(jì)數(shù)值/VS信號(hào)源5 MHz方波/DC直流源15 V放大電路單元L1(L4)驅(qū)動(dòng)(負(fù)載)線圈0.52 μHR1信號(hào)源內(nèi)阻50 ΩL2(L3)發(fā)射(接收)線圈10 μHR2 (R3)發(fā)射(接收)線圈內(nèi)阻0.5 ΩC2(C3)并聯(lián)諧振電容100 pF線圈耦合單元LC放大電路扼流電感90 μHQ1MOS管型號(hào)IRF510C1放大電路并聯(lián)電容150 pFC4放大電路諧振電容816 pFL6放大電路諧振電感0.55 μHL7放大電路并聯(lián)電感1.55 μHR4負(fù)載54.2 Ω

        3 傳輸效率混合仿真

        線圈耦合單元采用Comsol多物理場(chǎng)仿真軟件。對(duì)應(yīng)圖2四線圈并聯(lián)諧振等效電路進(jìn)行建模,物理模型如圖4所示。各線圈幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)表1,邊界條件設(shè)置為磁絕緣和軸對(duì)稱(chēng),四線圈并聯(lián)諧振電路元器件(參數(shù)對(duì)應(yīng)表二中各數(shù)值),通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

        圖4 COMSOL線圈耦合單元模型圖Fig.4 Model diagram of COMSOL simulation coil coupling unit

        ① 輸出結(jié)果監(jiān)控:設(shè)置全局變量探針,通過(guò)穩(wěn)態(tài)求解器,獲取各線圈電感值L、線圈間的互感值M,并通過(guò)計(jì)算得到線圈間的耦合系數(shù)k。這種仿真方法可以完全模擬線圈耦合單元實(shí)驗(yàn)中的各元器件以及線圈間的互耦情況。

        電路單元采用Multisim電路仿真軟件。電路圖如圖5所示,由 E類(lèi)放大電路與耦合線圈等效電路構(gòu)成。對(duì)應(yīng)表2設(shè)置元件及參數(shù),并將Comsol仿真計(jì)算得到的耦合系數(shù)k12,k23,k34,如表3線圈耦合單元所示,帶入Multisim進(jìn)行仿真。

        ② 輸出結(jié)果監(jiān)控:讀取示波器負(fù)載電壓值Urms,電流探針監(jiān)測(cè)電壓源電流值Iin。計(jì)算負(fù)載接收功率Pout(Urms2/RL)與直流源發(fā)射功率Pin(Iin*VDC)比值,可獲得系統(tǒng)的輸能效率η。

        圖5 Multisim電路單元仿真模型圖Fig.5 Model diagram of multisim simulation circuit unit

        本文設(shè)計(jì)的四線圈磁耦合諧振式無(wú)線輸能系統(tǒng)場(chǎng)-路混合仿真結(jié)果如表3所示。

        表3 場(chǎng)-路混合仿真結(jié)果
        Tab.3 Results of field-circuit hybrid simulation

        單元類(lèi)別符號(hào)仿真結(jié)果線圈耦合單元L1(L4)0.51 μHL2(L3)10.28 μHM12(M34)6.171 3?10-7M232.543 9?10-7k12(k34)0.268k230.025電路單元Urms13.2 VVDC15 VIin0.217 APin(Iin?VDC)3.255 WPout(Urms2/RL)3.239 Wη98.8%

        4 結(jié)果與分析

        將信號(hào)源、電壓源、放大電路、耦合線圈依次連接,使用示波器監(jiān)測(cè)負(fù)載電阻兩端波形及電壓值,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖如圖6所示。

        圖6 磁耦合無(wú)線輸能系統(tǒng)Fig.6 A system of wireless power transmission

        仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,其數(shù)據(jù)分別如表4所示。

        表4 仿真實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果
        Tab.4 Comparison of simulation measured results

        符號(hào)仿真值實(shí)測(cè)值誤差f5 MHz4.78 MHz-4.4%L1(L4)0.51 μH0.52 μH1.9%L2(L3)10.28 μH10.1 μH-1.75%C2(C3)101 pF102 pF0.99%Urms13.2 V16.38 V/VCC15 V15 V/Iin0.217 A0.317 A/Pin3.255 W4.95 W/Pout3.239 W4.755 W/η98.8%96.9%-1.92%

        實(shí)測(cè)中,頻率為4.78 MHz時(shí),系統(tǒng)效率最高。理論頻率為5 MHz,其誤差來(lái)源主要為實(shí)際加工中線圈材料、繞制松緊導(dǎo)致電感值與設(shè)計(jì)仿真中有所偏差。輸出波波形良好,在距離三倍線圈半徑處可獲得4 W的能量傳輸,系統(tǒng)效率為96.9%,與混合仿真得到的系統(tǒng)效率98.8%吻合良好。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)電磁感應(yīng)/諧振無(wú)線輸能系統(tǒng)的效率計(jì)算,研究(電磁)場(chǎng)-(電)路混合仿真,即線圈耦合單元使用Comsol仿真計(jì)算得到線圈電感值及線圈之間的耦合系數(shù),電路單元(包括E類(lèi)放大電路與線圈耦合單元的等效電路)使用Multisim仿真計(jì)算得到系統(tǒng)效率。設(shè)計(jì)和測(cè)試一套四線圈磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng),檢驗(yàn)場(chǎng)-路混合仿真準(zhǔn)確度,對(duì)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,二者吻合良好。

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