基于電磁感應的無線充電技術傳輸效率的仿真研究*

熊承龍，沈 兵，趙 寧*

(1.東南大學能源與環境學院，南京211189;2.東南大學電子科學與工程學院，南京211189)

基于電磁感應的無線充電技術傳輸效率的仿真研究*

熊承龍1，沈 兵2，趙 寧2*

(1.東南大學能源與環境學院，南京211189;2.東南大學電子科學與工程學院，南京211189)

基于互感理論和耦合理論為無線充電的耦合線圈建立了分析傳輸效率的模型，得到了影響傳輸效率的關鍵因素:兩線圈半徑及相對大小、線圈相對位置、線圈匝數、工作頻率和負載等。隨后結合微小型無線充電設備的實際應用，利用Ansoft公司的電磁仿真軟件Maxwell并采用控制變量法對關鍵因素進行模擬仿真分析。最后根據模擬仿真的結果，總結出提高該無線充電設備傳輸效率的若干方法。

傳輸效率;無線充電;互感系數;模擬仿真

近年來，各類移動電子設備的發展迅猛，傳統的充電方式會導致滿桌的電線十分雜亂，給人們帶來諸多不便，在這樣的背景下無線充電技術孕育而生。現有的無線充電技術主要有3種，分別是電磁感應、磁共振和無線電波。綜合它們各自的優勢［1］，并結合微小型無線充電設備體積小、重量輕的特點，感覺電磁感應技術較適合于該類設備的制造。

1 電磁感應充電原理

根據法拉第電磁感應定律:線圈中感應電動勢的大小與穿過線圈的磁通量的變化率成正比。因此系統分為發射側與接受側兩部分，如圖1所示［2］。

向微小型無線充電設備充電器底座(發射側)輸入直流電，通過有源晶振逆變轉換成高頻交流電供給發射線圈，發射線圈周圍產生高頻磁場，嵌入微小型無線充電設備中的接收線圈(接受側)感應到此變化磁場，即產生感應電動勢，通過整流濾波使之成為直流電，供給微小型無線充電設備電池，即完成充電過程。

圖1 電磁感應充電原理

對設計的無線能量傳輸系統，可以建立如圖2所示的等效電路模型［3］。Rp、Rs分別為發射線圈和接收線圈的內阻，Cp、Cs分別為發射側與接收側的補償電容。Up為加在發射線圈上的等效交流電源，其頻率為ω，RL為等效負載阻抗，M為線圈互感。

圖2 等效電路模型

利用基爾霍夫定律可以寫出回路方程:

定義接收側回路反映到發射側中的等效電阻［4］Rd=ωMIs/Ip，代入式(3)、式(4)，得:

線圈傳輸效率為接收側負載上得到的功率和發射側輸入功率之比［5］，即

計算得:

可以看到，傳輸效率與M，ω，Rs，Rp，RL有關，其中互感系數M又與線圈軸向間距L、線圈徑向位錯S、接收線圈直徑Dr、發射線圈直徑Dt、線圈匝數N密切相關［6］。

2 仿真建模分析

2.1 模型建立

利用Maxwell軟件建立3D磁瞬態場模型，如圖3所示。給予發射線圈5 V的正弦電壓激勵，設定發射線圈的純阻抗為0.01Ω，包括磁芯的發射線圈電感量為20μH，接收線圈的純阻抗為0.1Ω，包括磁芯的接收線圈電感量為10μH，內部剖分最大單元長度為10 mm。

圖3 軟件模型

為分析各個因素對傳輸效率的影響，軟件模擬時采用控制變量法。常量選擇時，根據實際應用情況，首先確定接收線圈直徑Dr不能大于50 mm［7］，經過多次實驗，其他參數常量最終選定如表1所示。

表1 模型參數表

2.2 實驗結果

實驗結果如圖4(a～f)所示。

從圖4(a)中可以看出線圈傳輸電能的效率隨線圈間距L的增大下降的很快，當間距為10 mm時，效率只有線圈貼合時的13%。

從圖4(b)中可以看出，當fi小于100 kHz時，效率隨著fi提高而提高，當fi大于170 kHz時，效率基本隨著fi降低而降低。

從圖4(c)中可以看到效率隨著線圈匝數N增大而增大。

設線圈半徑偏移量r=(Dr-Dt)/2，從圖4(d)中可以看到，當線圈外徑偏移量r為0時，即接收線圈與發射線圈大小相等時，效率達到最大值。

從圖4(e)中可以看到，當負載RL為6Ω時效率達到最大值。

從圖4(f)中可以看到，傳輸效率對于徑向位錯十分敏感，徑向位錯為5 mm的效率僅為無徑向位錯時效率的56.98%。

2.3 實驗結果分析與展望

根據以上模擬仿真分析的結果，為提高微小型無線充電設備充電效率，應盡量縮短發射線圈與接收線圈的軸向間距，使線圈盡可能貼近，比如可將接收線圈嵌入微小型無線充電設備的后殼;控制工作頻率在100 kHz～170 kHz之間;在外界條件(尺寸)能允許的情況下，盡量增加線圈匝數;接收線圈與發射線圈直徑應相等或相近，由于接收線圈直徑已定為50 mm，因此發射線圈直徑也應為50 mm;本仿真條件下適用的負載為3Ω～13Ω，基本可以滿足一般微小型無線充電設備充電需求;由于效率隊徑向位錯十分敏感，為了避免效率大幅降低，可用磁鐵對發射線圈和接收線圈的位置進行定位。

圖4

3 結束語

自無線充電聯盟(WPC)成立以來，無線充電技術越來越受到人們關注，同時面臨的挑戰，即如何提高無線充電的效率也是十分艱巨的。本文從電磁感應線圈耦合的角度為提高傳輸效率提出了若干建議。對該項研究進行實物實驗以及大功率推廣將是下一步的研究方向。

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［7］Texas Instruments，Free Positioning，Qi Compliant Wireless Power Transmitter Manager［R］.2012.11:12.

Simulation Research on Energy Transm ission Efficiency of W ireless Charging Technology Based on the Electromagnetic Induction*

XIONG Chenglong1，SHEN Bing2，ZHAO Ning2*
(1.Department.of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 211189，China; 2.Department of Electronic Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

Themodel analyzing transmission efficiency based on themutual inductance theory and the coupling theory is established for the coil of wireless charging.Transmission efficiency is affected with radius of the coil，relative size，relative location，turns per coil，working frequency，etc.Then considering the application of themicrominiature wireless charging，some key factor has been simulated analysis by AnsoftMaxwell.At last，somemethods to improve the transmission efficiency ofwireless charging have been concluded.

transmission efficiency;wireless charging;mutual inductance;simulate analysis

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.031

TM 15;TM 910.6 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0131-03

項目來源:2012年國家砂創新計劃項目

2013-04-21修改日期:2013-05-10

EEACC:5140

熊承龍(1992-)，東南大學熱能與動力工程本科，381864562@qq.com;

趙 寧(1961-)，男，江蘇南京人，東南大學，本科，工程師，主要研究方向為真空技術、電子技術的教學與科研工作，njzhao88@163.com。