無線充電耦合共振線圈的研究

徐 帆

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

無線充電耦合共振線圈的研究

徐 帆

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

針對磁耦合共振型無線充電系統(tǒng)中耦合線圈，對傳統(tǒng)的兩線圈耦合進(jìn)行分析并設(shè)計出三線圈的耦合模型。利用Maxwell有限元仿真軟件對兩線圈耦合模型以及三線圈耦合模型進(jìn)行有限元仿真。利用Multisim仿真軟件設(shè)計出整體無線充電電路對電路進(jìn)行仿真。驗證三線圈與兩線圈耦合模型的傳輸效率，并得出在距離相等的條件下三線圈每個接收線圈與兩線圈的接收線圈的傳輸效率接近，但由于三線圈有兩個接收線圈可以同時工作，更具實際意義。

無線充電；磁耦合共振；Maxwell

隨著科技的不斷發(fā)展，無線充電技術(shù)已然成為熱門研究方向之一。而目前無線電能傳輸分為3大類：第一類為電磁感應(yīng)耦合方式；第二類為輻射式無線能量傳輸技術(shù)；第三類為磁耦合共振方式。以3種無線充電方式為基礎(chǔ)，衍生出5種主流的充電標(biāo)準(zhǔn)：Qi標(biāo)準(zhǔn)、Power Matters Alliance(PMA)標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power(A4WP)標(biāo)準(zhǔn)、iNPOFi技術(shù)、Wi-Po技術(shù)[7]。

無線充電聯(lián)盟(WPC)共同制定的無線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi采用的是電磁感應(yīng)方式。但這技術(shù)還有比較多的缺陷，比如最大輸出功率只有5 W，所以充電速度上會有局限。從市場規(guī)模上，Qi無疑是目前最為普及的，值得關(guān)注的是，Qi的最新標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)7～45 mm的無線充電距離，算是一個小突破。但存在頻率過高會對人體造成危害以及無法更好散熱的缺點。而電磁輻射式存在能量損耗較大的缺點。而A4WP所使用的近距磁共振技術(shù)可同時充電多個設(shè)備，且在設(shè)備的位置與角度上較具彈性，其充電能力與時間也較符合消費(fèi)者期待。相對前兩種，它的傳輸距離較大，而且對位置和距離不敏感，傳輸能量損耗小等優(yōu)點。是無線充電發(fā)展的新方向。

傳統(tǒng)的兩線圈磁耦合共振無線充電系統(tǒng)相對已經(jīng)成熟，而新型雙充系統(tǒng)即三線圈耦合模型也開始進(jìn)行研究。文章通過仿真設(shè)計出三線圈耦合共振模型，證明三線圈在實際應(yīng)用中更具有實際意義。

1 耦合共振型無線充電原理

電磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)電路模型借助兩個共振線圈進(jìn)行能量無線傳輸。模型如下圖1所示，圖中，輸入電壓源電壓為U1，耦合共振線圈L1和L2，在高頻磁場下的電阻為R1和R2，產(chǎn)生的電容分別C1和C2；RL為負(fù)載。

圖1 耦合共振型無線充電電路模型

若傳輸系統(tǒng)的角頻率為ω，則初級，次級的阻抗為Z1，Z2。則線圈的KVL方程為

Z1I1-jωMI2=U1

(1)

-jωMI2+Z2I2=0

(2)

其中，M為發(fā)射和接收線圈之間的互感，通過模型得出阻抗

(3)

(4)

將式(3)和式(4)，帶入式(1)和式(2)，聯(lián)立求解初級和次級電路的電流

(5)

(6)

得到磁耦合共振無線充電系統(tǒng)負(fù)載功率和輸入功率為

(7)

(8)

則無線充電系統(tǒng)的傳輸效率為

(9)

若系統(tǒng)處于諧振的狀態(tài)，則系統(tǒng)的傳輸效率

(10)

由式(10)可知，系統(tǒng)的傳輸效率與線圈的互感，內(nèi)阻以及負(fù)載有直接關(guān)系[2]。

2 Maxwell仿真

Maxwell仿真軟件具有導(dǎo)向式的用戶界面，高精度的自適應(yīng)部分技術(shù)和強(qiáng)大的后處理能力，Maxwell可以分析渦流、位移、電流、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，通過仿真可以得到電機(jī)、母線、變壓器、線圈等電磁部分的整體特性。功能損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗、力、扭矩、電感、儲能等參數(shù)可以通過仿真計算得出同時軟件也可以給出整個相位的磁力線、B/H分布圖、能量密度、溫度分布圖等圖形結(jié)果[1]。如圖2是兩線圈的Maxwell 3D磁耦合共振模型，其中線圈半徑為51 mm，每個線圈十匝。線圈采用多股纏繞得出方式進(jìn)行，能夠有效減少趨膚效應(yīng)對線圈內(nèi)阻的影響。外部激勵電流2 A，534 kHz的頻率下仿真得到發(fā)射線圈與接收線圈磁場分布。

圖2 兩線圈的磁場分布圖

兩線圈相距10 cm，各自諧振產(chǎn)生磁場，且磁場強(qiáng)度較強(qiáng)的地方只要集中在正在流過電流的線圈的周圍，距離磁場較遠(yuǎn)的線圈中心和外圍處，磁場的強(qiáng)度較弱。在磁場強(qiáng)度在相同條件下，即兩個接收線圈分別距發(fā)射線圈5 cm時，三線圈的磁場分布圖。

圖3 三線圈的磁場分布圖

從圖2和圖3可以得出，在相同條件下，兩線圈的電磁感應(yīng)的強(qiáng)度為0.004 766 T,而三線圈的電磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.004 822 T。此三線圈為對稱的耦合共振線圈。在此條件下，相同的條件下兩線圈和三線圈發(fā)射線圈(Winding1)與接收線圈(Winding2)的電流、電壓波形如圖4和圖5所示。

圖4 兩線圈發(fā)射、接收線圈電流波形

圖5 三線圈接收線圈兩側(cè)端電壓波形

由圖4可知，三線圈與兩線圈在相同的條件下，增加出一個接收線圈的電壓波形。但由于線圈與線圈之間存在互感，三線圈的耦合共振輸出波形會存在一定的差異。且三線圈的仿真模型為接收線圈在發(fā)射線圈兩側(cè)。若兩個接收線圈為同側(cè)，在同等的條件下，其中一個接收線圈可作為中繼線圈，從而使接收線圈在接收電壓相同的情況下，傳輸距離更大。

3 Multisim的電路仿真

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[8]。如圖6為整個電路的仿真電路圖

圖6 無線充電系統(tǒng)電路圖

該軟件借用了Spice軟件的主要功能，即使使用者就算不理解龐雜的 Spice功能圖的調(diào)試、仿真與分析, 也能夠迅速地借助Multisim 進(jìn)行自己所畫的電路可以在設(shè)計流程上提前對電路圖進(jìn)行快速地校驗,從而大大縮短電路圖生成周期。如圖表1所示，當(dāng)負(fù)載等于10 Ω的時候通過計算及仿真得到的傳輸效率。

表1 兩線圈和三線圈分別的傳輸效率

從表1中能夠得出三線圈結(jié)構(gòu)與兩線圈結(jié)構(gòu)的無限傳輸效率相近，傳輸效率與互感，線圈內(nèi)阻以及負(fù)載有關(guān)，與線圈個數(shù)無關(guān)。

4 結(jié)束語

本文利用Maxwell與Multisim對無線充電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。得出在相同的條件下，三線圈兩接收線圈對稱在發(fā)射線圈兩側(cè)的情況下，負(fù)載的傳輸效率相近。但由于三線圈有兩個負(fù)載，因此負(fù)載功率會比兩線圈更高。更具有實用性。

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Research on Wireless Charging Coupling Resonant Coil

XU Fan

(School of Optoicai-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,
Shanghai 20093, China)

In this paper, the coupling of the coil in the magnetically coupled resonant wireless charging system is analyzed, and the coupling of the two coils is analyzed and the coupling model of the three coils is designed. The two coil coupling model and the coupling model of the three coils are simulated by Maxwell finite element simulation software. Using Multisim simulation software to design the whole wireless charging circuit to simulate the circuit. The transmission efficiency test three and two coils coupled model, finally draw close to the transmission efficiency of the receiving coil distance under the condition of the same three coils of each receiver coil and the two coil, but due to the three coil with two receiving coil can work at the same time, more practical.

wireless charging; magnetic coupling resonance; Maxwell

2016- 11- 07

徐帆(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：無線充電。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.037

TN81

A

1007-7820(2017)02-142-02