基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究*

2014-09-28熊承龙

电子器件 2014年1期

关键词：东南大学匝数电磁感应

熊承龙，沈兵，赵宁*

(1.东南大学能源与环境学院，南京211189;2.东南大学电子科学与工程学院，南京211189)

基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究*

熊承龙1，沈兵2，赵宁2*

(1.东南大学能源与环境学院，南京211189;2.东南大学电子科学与工程学院，南京211189)

基于互感理论和耦合理论为无线充电的耦合线圈建立了分析传输效率的模型，得到了影响传输效率的关键因素:两线圈半径及相对大小、线圈相对位置、线圈匝数、工作频率和负载等。随后结合微小型无线充电设备的实际应用，利用Ansoft公司的电磁仿真软件Maxwell并采用控制变量法对关键因素进行模拟仿真分析。最后根据模拟仿真的结果，总结出提高该无线充电设备传输效率的若干方法。

传输效率;无线充电;互感系数;模拟仿真

近年来，各类移动电子设备的发展迅猛，传统的充电方式会导致满桌的电线十分杂乱，给人们带来诸多不便，在这样的背景下无线充电技术孕育而生。现有的无线充电技术主要有3种，分别是电磁感应、磁共振和无线电波。综合它们各自的优势［1］，并结合微小型无线充电设备体积小、重量轻的特点，感觉电磁感应技术较适合于该类设备的制造。

1 电磁感应充电原理

根据法拉第电磁感应定律:线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的变化率成正比。因此系统分为发射侧与接受侧两部分，如图1所示［2］。

向微小型无线充电设备充电器底座(发射侧)输入直流电，通过有源晶振逆变转换成高频交流电供给发射线圈，发射线圈周围产生高频磁场，嵌入微小型无线充电设备中的接收线圈(接受侧)感应到此变化磁场，即产生感应电动势，通过整流滤波使之成为直流电，供给微小型无线充电设备电池，即完成充电过程。

图1 电磁感应充电原理

对设计的无线能量传输系统，可以建立如图2所示的等效电路模型［3］。Rp、Rs分别为发射线圈和接收线圈的内阻，Cp、Cs分别为发射侧与接收侧的补偿电容。Up为加在发射线圈上的等效交流电源，其频率为ω，RL为等效负载阻抗，M为线圈互感。

图2 等效电路模型

利用基尔霍夫定律可以写出回路方程:

定义接收侧回路反映到发射侧中的等效电阻［4］Rd=ωMIs/Ip，代入式(3)、式(4)，得:

线圈传输效率为接收侧负载上得到的功率和发射侧输入功率之比［5］，即

计算得:

可以看到，传输效率与M，ω，Rs，Rp，RL有关，其中互感系数M又与线圈轴向间距L、线圈径向位错S、接收线圈直径Dr、发射线圈直径Dt、线圈匝数N密切相关［6］。

2 仿真建模分析

2.1 模型建立

利用Maxwell软件建立3D磁瞬态场模型，如图3所示。给予发射线圈5 V的正弦电压激励，设定发射线圈的纯阻抗为0.01Ω，包括磁芯的发射线圈电感量为20μH，接收线圈的纯阻抗为0.1Ω，包括磁芯的接收线圈电感量为10μH，内部剖分最大单元长度为10 mm。

图3 软件模型

为分析各个因素对传输效率的影响，软件模拟时采用控制变量法。常量选择时，根据实际应用情况，首先确定接收线圈直径Dr不能大于50 mm［7］，经过多次实验，其他参数常量最终选定如表1所示。

表1 模型参数表

2.2 实验结果

实验结果如图4(a～f)所示。

从图4(a)中可以看出线圈传输电能的效率随线圈间距L的增大下降的很快，当间距为10 mm时，效率只有线圈贴合时的13%。

从图4(b)中可以看出，当fi小于100 kHz时，效率随着fi提高而提高，当fi大于170 kHz时，效率基本随着fi降低而降低。

从图4(c)中可以看到效率随着线圈匝数N增大而增大。

设线圈半径偏移量r=(Dr-Dt)/2，从图4(d)中可以看到，当线圈外径偏移量r为0时，即接收线圈与发射线圈大小相等时，效率达到最大值。

从图4(e)中可以看到，当负载RL为6Ω时效率达到最大值。

从图4(f)中可以看到，传输效率对于径向位错十分敏感，径向位错为5 mm的效率仅为无径向位错时效率的56.98%。

2.3 实验结果分析与展望

根据以上模拟仿真分析的结果，为提高微小型无线充电设备充电效率，应尽量缩短发射线圈与接收线圈的轴向间距，使线圈尽可能贴近，比如可将接收线圈嵌入微小型无线充电设备的后壳;控制工作频率在100 kHz～170 kHz之间;在外界条件(尺寸)能允许的情况下，尽量增加线圈匝数;接收线圈与发射线圈直径应相等或相近，由于接收线圈直径已定为50 mm，因此发射线圈直径也应为50 mm;本仿真条件下适用的负载为3Ω～13Ω，基本可以满足一般微小型无线充电设备充电需求;由于效率队径向位错十分敏感，为了避免效率大幅降低，可用磁铁对发射线圈和接收线圈的位置进行定位。

图4

3 结束语

自无线充电联盟(WPC)成立以来，无线充电技术越来越受到人们关注，同时面临的挑战，即如何提高无线充电的效率也是十分艰巨的。本文从电磁感应线圈耦合的角度为提高传输效率提出了若干建议。对该项研究进行实物实验以及大功率推广将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 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0131-03

项目来源:2012年国家砂创新计划项目

2013-04-21修改日期:2013-05-10

EEACC:5140

熊承龙(1992-)，东南大学热能与动力工程本科，381864562@qq.com;