无线充电系统仿真

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无线充电设备的设计与仿真研究

无线充电设备的设计与仿真研究随着科技的发展，无线充电技术已经逐渐成为智能电子产品市场中不可忽视的一部分。

无线充电设备的出现不仅方便了用户在使用智能设备的过程中免去了繁琐的充电线操作，还减少了电线充电过程中存在的一些潜在危险，这使得越来越多的用户开始关注无线充电设备的使用问题。

设计一款高效、安全、便携的无线充电设备也成为了众多厂商争相研发的一个重要领域。

在本文中，我们将针对无线充电设备的设计与仿真问题展开探讨。

1、无线充电设备技术概述目前应用于无线充电设备上的主流技术有磁共振式充电技术、电感耦合式充电技术、超声波充电技术等。

其中，磁共振式充电技术具有无线传递能量效率高、系统设计简单、带宽大等优点，成为了推广的焦点。

2、无线充电设备设计原理无线充电设备是采用磁共振的原理，通过两个磁共振线圈之间的电磁感应耦合，将能量从充电器传递到电池充电装置，从而实现无线充电的目的。

而磁共振式无线充电设备主要由发射端和接收端两部分组成。

发射端由振荡电路、功率放大器和磁共振线圈组成，接收端由磁共振线圈、整流电路和电池充电装置组成。

3、无线充电设备仿真研究仿真研究是无线充电设备设计过程中必不可少的一部分。

通过对充电器的电路元器件、电源特征参数等进行以及分析，制订出了充电器的电路连接方案，以及针对不同的充电场景进行的系统仿真试验，从而实现了更准确的充电器设计和系统评估。

4、无线充电设备的安全措施无线充电设备的安全问题一直是一个备受关注的问题。

在无线充电设备的设计中，必须采取一定的安全措施，以增加充电设备使用的可靠性和安全性。

一、光电隔离防止漏电伤人光电隔离技术是提高充电器工作安全性能的关键之一。

光电隔离是指通过光纤的光电转换实现电信号的传输，使电源、控制电路与保护电路等电路间实现电气隔离，以防止电源与负载间发生的任何电气因素的泄漏和干扰，从而保证了充电器、配电装置等设备的免于电气事故的发生。

二、开关电源技术采用开关电源与隔离变压器实现直流稳定、安全、环保、经济而适宜的充电方案，在设计方面更加可靠。

电动汽车无线充电系统仿真与设计

本次演示的研究目的是深入探讨电动汽车无线充电系统磁场仿真与屏蔽技术，通过实验研究和数据分析，优化无线充电系统的性能和安全性。具体目标包括：
1、研究无线充电系统的磁场分布规律； 2、探讨磁场屏蔽材料的性能及选用原则； 3、分析磁场屏蔽技术对无线充电系统性能的影响；
4、为电动汽车无线充电系统的优化设计提供理论支持和实践指导。
研究背景
随着全球能源危机的加剧和环保意识的提高，电动汽车的发展越来越受到人们的。无线充电技术作为电动汽车充电的一种新型方式，具有无需插拔充电插头、降低磨损和延长使用寿命等优点。然而，无线充电系统中的磁场仿真与屏蔽技术是制约其发展的关键因素。因此，开展相关研究具有重要的现实意义和理论价值。
研究目的
3、系统控制电路设计与实现系统控制电路主要包括采样电路、控制逻辑电路等。采样电路负责监测充电过程中的各项参数，如电压、电流等；控制逻辑电路则根据采样电路的输出，调整充电参数，确保充电过程的安全与稳定。
实验结果我们搭建了一个电动汽车无线充电系统实验平台，进行了为期一年的实验。实验结果显示，该系统在稳定性、准确性方面均表现出色。在稳定性方面，充电效率维持在90%以上；在准确性方面，充电位置的误差小于5mm。这些数据充分证明了无线充电技术在电动汽车领域的可行性。
参考内容
基本内容
随着全球气候变化和环境问题的日益严重，电动汽车作为一种绿色、环保的交通工具，越来越受到人们的。然而，电动汽车的普及仍面临着充电基础设施不足、充电时间长、能量密度低等诸多挑战。其中，无线充电技术的出现为解决这些问题提供了新的可能。本次演示将从技术原理、系统设计、实验结果和应用前景等方面，全面介绍电动汽车无线充电系统设计。
展望未来，电动汽车无线充电系统的研究仍有广阔的发展空间。在后续研究中，可以从以下几个方面展开深入探讨：

Comsol经典实例017：双绕组圆环天线的无线电能传输仿真

在 COMSOL Multiphysics 5.5 版本中创建Comsol经典实例017：双绕组圆环天线的无线电能传输仿真无线电能传输是指发射单元和接收单元之间的无接触式能量传输，为电气设备提供了一种简便的充电方法，并支持同时对多个设备进行充电。

随着技术的持续发展，无线充电的应用日趋广泛，涵盖手机、日用品、新能源汽车等。

在本案例中，系统全面地介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 对无线充电设备进行多物理场耦合建模仿真，包括：线圈建模、天线激励的设置、天线之间的能量耦合、位置更改对能量传输效率的影响等。

同时，还将结合案例讲解建模设置的要点及注意事项，并演示在 COMSOL® 5.5 中如何对无线充电设备进行仿真。

一、案例简介本例通过研究针对 UHF RFID 频率调谐的两个圆环天线之间的能量耦合，阐述了无线电能传输的概念，并通过片式电感器来减小天线的尺寸。

发射天线的方向固定，而接收天线旋转，我们根据S参数研究最佳耦合构型。

图1 基于接收天线方向计算两个圆环天线之间耦合效应的模型。

空气域和完美匹配层未在此图中显示二、模型定义模型由两个印刷圆环天线组成，天线被带有完美匹配层(PML) 的空气域包围。

对于UFH RFID 通信，天线的工作频率为915 MHz。

薄铜层在2 mm 聚四氟乙烯 (PTFE) 板上形成图案。

铜层的厚度从几何上看非常薄，但它比该频率下铜的集肤深度s =2.15 μm 厚得多，因此将其模拟为理想电导体(PEC)。

通过在每个圆形铜迹线的中间插入代表0805 表面贴装器件的集总电感器，使天线直径减小到约0.22λ0。

在配置为PEC 的每条迹线的分离部分，分配一个具有50 Ω参考阻抗的集总端口来激励或终止天线。

周围需要有完美匹配层才能吸收发射天线的辐射并描述无限自由空间中的天线耦合。

三、结果与讨论图2 显示xy 平面上的电场模分布，以及发射天线的功率流随接收天线旋转角度变化的箭头图。

电动汽车无线充电系统仿真研究_郭平静

充电更安全，无火花和触电危险，无机械损耗，可适应无线充电系统联合仿真技术。通过此联合仿真模型，
多种恶劣环境和天气。无线电能传输主要有电磁感能够对无线充电系统的谐振拓扑、电能传输特性、控应式、磁耦合谐振式和电磁辐射式无线电能传输［2］。制算法等方面进行研究，大大提高研究工作的效率，
* * 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（ 973 项目）（ 2011CB711202）。作者简介：郭平静 1990 年生，硕士研究生。研究方向为电动汽车无线充电技术。吴巍峰 1985 年生，硕士研究生。研究方向为电动汽车无线充电技术及电池管理系统。
间的耦合程度，与物理结构更接近，所以本文选择互感模型来分析系统的电气特性。图 2 所示为电磁耦合机构的互感电路模型。其中，下标 P 代表初级线圈相关参数，S 代表次级线圈相关参数，M 表示两个线圈之间的互感。
性负载供电时，负载电流也是正弦的，但是比输入电
压滞后或超前一定的角度 x。实际传递到负载的功率
激、反激）、桥式等。其中，反激式逆变器的输出电压 PFC，DC-DC 等。目前，仿真研究中的负载一般都是纯
中存在较大的纹波，负载调整精度不高，因此输出功电阻；然而，将无线充电技术应用到电动汽车时，其充
率受到限制。通常应用于功率小于 150W 的场合，不电对象是动力电池，无法完全用纯电阻来进行等效。
充电采用插头和插座的金属接触物来导电，存在易产 Pspice 软件搭建尽可能接近真实的系统主电路模型，生火花、灵活性差等问题［1］。无线充电是以电磁场为利用 Simulink 搭建控制模型来验证控制算法对主电
媒介实现电能的传递。与接触式充电方式相比，无线路的控制，实现了基于 Pspice 与 Simulink 的电动汽车

基于效率寻优算法的无线充电系统设计与仿真

基于效率寻优算法的无线充电系统设计与仿真甘江华; 徐长福; 刘振威; 徐家园; 曹亚; 张晓丽【期刊名称】《《电气传动》》【年(卷),期】2019(049)010【总页数】5页(P108-112)【关键词】无线充电技术; 磁耦合谐振; 效率寻优; 控制策略; 仿真模型【作者】甘江华; 徐长福; 刘振威; 徐家园; 曹亚; 张晓丽【作者单位】国网许继电源有限公司河南许昌 461000; 国网江苏省电力有限公司江苏南京 211103【正文语种】中文【中图分类】TM28随着无线充电技术的不断发展与创新，大功率无线充电方式随之逐渐改变[1]，常规有线充电方式缺点逐渐显露，例如进行电动汽车有线充电操作每次需要插拔充电枪，充电完成后用户常常忘记归位充电枪，同时为电动汽车配置的充电桩或充电柜会占据宝贵车位面积，造成土地资源浪费[2-3]。

随着新能源产业井喷式发展，大功率无线电能传输技术备受关注，尤其在一些特定场合，无线电能传输技术具有传导式充电方式所不及的独特优势，可以极大地提高设备供电的可靠性、便捷性和安全性。

国外知名科研机构与企业投入了大量研究，提高了无线充电系统的功率等级，提出了一些拓扑先进、适用于大功率无线充电的设计方案[4-7]。

国内知名高校和企业，围绕系统拓扑分析与性能优化、线圈磁耦合机构设计、频率自适应控制与调节、关键器件特性等问题进行深入研究，为大功率无线充电技术的发展奠定了基础[8-10]。

基于耦合机构之间的磁耦合谐振原理，研制了一种基于效率寻优的大功率无线电能传输系统，该无线充电系统具有快速、安全、稳定的特点，对大功率无线充电技术的推广使用具有一定的现实意义。

1 总体设计大功率无线充电系统利用磁耦合谐振原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同谐振频率，并在该谐振频率的驱动下使系统达到一种“弱感性”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传输。

该系统主要由发射端单元、接收端单元以及谐振单元组成，其中发射端单元包括直流电源、Buck变换电路以及高频全桥逆变电路；谐振单元包括原边谐振线圈与副边谐振线圈；接收端单元包括车载功率组件以及车载电池。

无线充电学习记录

研究方向1.高功率密度高传输效率磁系统研究2.发射端和接收端大功率电力电子高效变换技术3.无线电能传输系统控制策略记录频率分叉现象：当互感增大到一定程度时，谐振点频率会出现分叉现象，此时谐振点频率会出现分叉现象，同时出现两个谐振频率，且一个大一个小。

此外值得注意的是，当原边和副边的固有自谐振频率相同时，能量将在原副边之间高效的传输，故一般设计时将原边和副边的自谐振频率以及高频逆变部分的频率设置为相同。

中继线圈的作用：中继线圈的最大作用就是当接收端线圈发生错位时输入阻抗会变大，可以有效的保护电源。

负载匹配：由基本的电路知识可以知道当负载阻抗与电路的阻抗相匹配时可以达到最大的传输效率，因此设计时候需要考虑到电路与负载的阻抗匹配问题。

耦合系数对传输效率和传输功率的影响：当耦合系数增大时系统效率也随之增大，一般当耦合系数达到0.15的时候传输效率就能够达到90%以上，而耦合系数达到0.35以上时系统的传输功率会降到6KW左右，随着耦合系数的增大传输功率先是急剧的增大，在耦合系数达到0.1左右时传输功率会达到最大值，然后又会逐渐衰减。

传递效率与自谐振频率的关系：前面已经提到当系统原副边的自谐振频率相同时，能量可以高效的在送耦合变压器的原边和副边之间进行传输，频率的选择很关键，由下图不难发现当在同意耦合系数的情况下，系统的传输效率随着频率的增大而增加，此外需要考虑到发射端线圈高频逆变部分的开关管频率限制，故可以将频率选择在85kHz左右。

无线充电的四种补偿结构：对串串式无线充电建模可得传输效率公式如下：系统传输效率与原边副边电感电容数值关系：系统传输效率与等效负载的关系：带入相关参数后可得，通过matlab可得系统的传输效率和传输功率与等效负载的关系如下：松耦合变压器原边副边电阻对传输效率的影响：原副边线圈的电阻对传输效率有着很大的影响，通过仿真可以知道原边电阻增大时传输效率会急剧的减小，而副边电阻较小范围内增大时对频率影响不大，故设计时原边选用高频低电阻率的线圈材料。

无线充电系统设计与实现

无线充电系统设计与实现“充电，让电池永不断电”是目前我国智能设备的普遍需求。

随着科技的不断发展，无线充电技术逐渐成为一种新兴的技术趋势，相较于传统有线充电方式，无线充电方式无需耗费电线等物品，且操作简单方便，不易断线，深受消费者喜爱。

为此，本文将详细介绍一款基于无线充电技术的充电系统的设计与实现。

一、基于无线充电技术的充电系统设备1. 硬件设备无线充电系统主要由两个硬件设备组成，分别是无线充电器和无线接收器。

无线充电器通过自身的电源模块提供待充电设备所需的电能，而无线接收器则接收无线充电器的电能并将其转换为待充电设备的电能。

在满足基本功耗需求的同时，需要注意减少损耗、提高充电效率。

2. 软件平台软件平台主要由安卓系统或IOS系统的手机应用程序和微信小程序两个部分组成。

用户可以通过手机应用程序或微信小程序实现在远程控制无线充电器和无线接收器，方便快捷。

二、基于无线充电技术的充电系统原理1. 基本原理基于无线充电技术的充电系统是通过电磁感应成环路传导的原理实现的。

传输线圈一般由空气磁场和电场成的交叉垂直的电子场构成。

一般来说，空气磁场等效于交流磁场，电场等效于直流电场。

其中，允许不同频率的电磁波传输，不仅对充电效率有很大的影响，更会对直流及其它特殊负载有很大的影响。

2. 充电系统电路原理涉及的部分基于无线充电技术的充电系统电路大致分为以下三部分：电源部分、功率换算部分、载波调制和系统控制分析等。

三、基于无线充电技术的充电系统实现步骤1. 接口处理首先，需要通过调试软件对相关设备进行接口的预处理，包括发射端与接收端的控制操作。

在此过程中，需要开发相应驱动程序，实现发射端和接收端之间的数据传输，并集成控制功能模块。

2. 系统硬件实现基于无线充电技术的充电系统需要匹配电感和磁芯，需要确保两种部件的选择能够使充电系统的电感值达到一个良好的匹配。

在电路上，还需要对功率换算模块进行设计，将输入电流转换为适当的电压。

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无线感应耦合充电系统仿真与设计

【文献标志码】Ａ
ＬｉｎｅＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＣｈａｒｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＤｅｓｉｇｎ
ＸＩＥＺｈｉｊｕａｎ，ＪＩＮＸｕｅｊｕｎ
ＴＲＡＮｓＭＮＧ８麓憋疆
【本文献信息】谢智娟，金学军．无线感应耦合充电系统仿真与设计［Ｊ］．电视技术，２０１３，３７（１３）
无线感应耦合充电系统仿真与设计
谢智娟，金学军
（１．常州卫生高等职业技术学校，江苏常州２１３０００；２．井冈山大学教育学院，江西吉安３４３００９）
（．ＣｈａｎｇｚｈｏｕＨｅａｌｔｈＨｉｇｈｅｒＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｃｈｏｏｌ，ｊｉａｎｇｓｕＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０００，Ｃｈｉａ；ｎ
ｏｎｏｐｅｎｎｅｓｓｎｄａｐｒｏｇｒａｍｍａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｃａｈｉｔｅｃｔｕｒｅｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｈｒｄａｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｉｓｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇｉｓｔｈｅｓｏ－ｃａｌｌｅｄｉｎｄｕｃｔｉｖｅｃｏｕｐｌｉｎｇｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｃｏｎｃｅｐｔｉｎｔｈｉｓｐａ — ｐｅｒ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｓａｎｄｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈｒｇａｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｐｒａａｍｅｔｅｒｓｎｄａｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．

电动汽车无线充电双LCC电路特性分析与仿真

电动汽车无线充电双LCC电路特性分析与仿真
郑雪钦;吴彬彬
【期刊名称】《厦门理工学院学报》
【年(卷),期】2018(026)001
【摘要】针对电动汽车无线充电过程中负载变化时对输出电流的影响问题,设计双LCC谐振补偿电路实现电动汽车无线恒流充电.对LCC电路阻抗频率特性、恒流/恒压特性等进行理论推导,在理论研究基础上进行参数设计,将双LCC谐振补偿电路设计成恒流工作模式.在Pspice软件中建模仿真可知谐振状态下系统阻抗表现为纯阻性特点,逆变器提供有功功率.研究表明,双LCC电路滤波特性、改善原边电压或电流应力以及鲁棒性比基本谐振补偿电路更加优越,满足电动汽车无线充电要求.【总页数】6页(P37-42)
【作者】郑雪钦;吴彬彬
【作者单位】厦门理工学院电气工程与自动化学院, 福建厦门361024;厦门理工学院电气工程与自动化学院, 福建厦门361024
【正文语种】中文
【中图分类】TM724
【相关文献】
1.基于双LCL谐振补偿的电动汽车无线充电系统特性分析与实验验证 [J], 刘闯;郭赢;葛树坤;蔡国伟;周飞
2.电动汽车无线充电电路互感优化及功效特性分析 [J], 张辉;王换民;李宁;刘苗苗
3.电动汽车LCC型无线充电电路特性分析 [J], 张辉;雷艳婷;王换民
4.基于双LCC的电动汽车多阶段恒流无线充电技术 [J], 朱国平;匡洪海;张瀚超;王建辉
5.基于双LCC结构电动汽车无线充电系统仿真设计 [J], 孙舒瑶;高金凤
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2．（20分）设计电动汽车无线充电系统，要求：
1）给出系统整体设计方案；
2）设计系统功率2.2kW，输入电压220V，输出电压300V；
3）给出系统simulink仿真图及关键部分波形图；
4）给出系统主要参数设计过程。

1、设计方案
无线充电系统的设计功率为2.2kW，输入电压为工频交流220V，输出电压为直流300V。

根据设计要求，需要该系统有一定的自调压能力。

整体设计方案为：先通过一个交直交变频器输出高频交流电，将这个高频交流电通过无线传输装置（仿真中用耦合电感代替）传输到汽车内置的接收装置。

通过整流电路转化为直流电，最后通过一个带负反馈的调压电路输出300V电压并能控制充电电流。

具体设计过程如下：
2.1、首先使用一个二极管不控整流模块，将220V电转化为直流电，并使用LC滤波，滤波后的电压约为350V。

二极管不控整流模块如下图：
经过LC滤波之后的输出电压：
2、使用IGBT全控器件搭建单相逆变模块，将直流350V转化为高频交流电，频率为20kHz。

一般来说，频率越高，传输同样的能量使用的耦合电感越小，能量的损失也越小。

由于受到器件开关速度的显示和工业标准的限制，使用电磁感应方式的无线充电系统频率不超过100kHz。

在这里我的传输频率为20kHZ，符合要求。

前半部分的整体仿真模型。

包括二极管整流模块，高频逆变模块，耦合电感作为无线传输模块：
经过逆变模块后产生的高频方波交流电，频率为20kHz：
经过耦合线圈传输到副边的高频交流电，由于耦合线圈相当于一个电感，电压传输到副边后稍微有些畸变。

另外耦合线圈相当于变压器，将电压升高到600V 左右。

无线能量传输模块的设计非常复杂，在这里不做具体设计。

仿真中只使用耦合线圈作为无线传输模块，接受前端的高频交流电，并通过第二个整流电路变为直流电，在这里我使用了全控型器件搭建第二个整流桥，这样可以通过改变移相角使其具有一定的调压能力。

耦合线圈副边，使用IGBT搭建单相全控整流电路：
IGBT单相全控整流电路输出波形，由于电路后端还有一个斩波电路，所以这个整流电路的输出波形先升后降，最终在380V左右：
最后使用一个三电平buck斩波电路结合PI控制器进行精确调压。

使输出电压稳定在300V。

耦合线圈后端的整体仿真模型，包括一个全控整流电路和一个三电平buck 斩波电路。

从该图也可以看到系统的整体电压基本稳定在300V。

从最终的输出电压波形也可以看到，经过一段时间的调整，输出电压最终稳定在300V。