電磁感應(yīng)/諧振無線輸能的場-路混合仿真

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)耦合式無線能量傳輸應(yīng)用松耦合原理，與變壓器原理類似[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)無線輸能系統(tǒng)，輸能效率高達(dá)94%[2]。磁諧振耦合式無線能量傳輸可實(shí)現(xiàn)比磁耦合感應(yīng)式無線能量傳輸更遠(yuǎn)的輸能距離，它由美國麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等人在2007年首次提出[3]。磁諧振耦合式無線能量傳輸在電動汽車、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-路混合仿真算法原理

本文提出一種新的場-路混合仿真方法。基于混合仿真原理，將電磁感應(yīng)/諧振無線輸能系統(tǒng)劃分為線圈耦合單元與電路單元2部分，如圖1所示。混合仿真中電路單元不僅包括放大電路，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)/諧振無線輸能系統(tǒng)可分為線圈耦合單元與電路單元，針對線圈耦合單元仿真：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，建立針對負(fù)載的參數(shù)掃描，通過瞬態(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-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)/諧振無線輸能場-路混合仿真是采用Comsol軟件對線圈單元進(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(通過式(1)[14]計(jì)算得到對應(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 磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)場-路混合仿真的準(zhǔn)確性，以磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(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類放大電路[18-20]與線圈耦合單元的等效電路，其中E類放大原理圖如圖3所示。

圖3 E類放大電路原理圖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(對應(yīng)圖2和圖3中各參數(shù))所示。

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

Tab.2Designparametersofcoilcoupledresonantwirelesspowertransfersystem

符號含義設(shè)計(jì)數(shù)值/VS信號源5 MHz方波/DC直流源15 V放大電路單元L1(L4)驅(qū)動(負(fù)載)線圈0.52 μHR1信號源內(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多物理場仿真軟件。對應(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)對應(yīng)表1，邊界條件設(shè)置為磁絕緣和軸對稱，四線圈并聯(lián)諧振電路元器件(參數(shù)對應(yīng)表二中各數(shù)值)，通過節(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類放大電路與耦合線圈等效電路構(gòu)成。對應(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線輸能系統(tǒng)場-路混合仿真結(jié)果如表3所示。

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

單元類別符號仿真結(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

將信號源、電壓源、放大電路、耦合線圈依次連接，使用示波器監(jiān)測負(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 磁耦合無線輸能系統(tǒng)Fig.6 A system of wireless power transmission

仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，其數(shù)據(jù)分別如表4所示。

表4 仿真實(shí)測對比結(jié)果
Tab.4 Comparison of simulation measured results

符號仿真值實(shí)測值誤差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)測中，頻率為4.78 MHz時，系統(tǒng)效率最高。理論頻率為5 MHz，其誤差來源主要為實(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

針對電磁感應(yīng)/諧振無線輸能系統(tǒng)的效率計(jì)算，研究(電磁)場-(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)和測試一套四線圈磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)，檢驗(yàn)場-路混合仿真準(zhǔn)確度，對仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，二者吻合良好。