《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
田小松1,楊 華2,蔡先運(yùn)1,顧 淼3
1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義播州供電局,貴州 遵義563000; 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局,貴州 遵義563000;3.珠海黑石電氣自動(dòng)化科技有限公司,廣東 珠海 519000
摘要: 針對(duì)當(dāng)前有線充電方式布線復(fù)雜、缺少靈活性等缺點(diǎn),以電動(dòng)自行車為例,設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電傳輸系統(tǒng),分別對(duì)電磁和電路兩部分進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了無(wú)線充電傳輸系統(tǒng)線圈模型,并成功地制造了線圈。利用ANSYS Maxwell軟件對(duì)設(shè)計(jì)線圈進(jìn)行了仿真,得到了線圈之間的電感系數(shù)、互感系數(shù)和耦合系數(shù),仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。
中圖分類號(hào): TN99;TP242
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190620
中文引用格式: 田小松,楊華,蔡先運(yùn),等. 基于電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2020,46(4):53-56,60.
英文引用格式: Tian Xiaosong,Yang Hua,Cai Xianyun,et al. Design and simulation of wireless charging transmission system based on electromagnetic induction[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(4):53-56,60.
Design and simulation of wireless charging transmission system based on electromagnetic induction
Tian Xiaosong1,Yang Hua2,Cai Xianyun1,Gu Miao3
1.Zunyi Bozhou Power Supply Bureau,Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Zunyi 563000,China; 2.Zunyi Power Supply Bureau,Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Zunyi 563000,China; 3.Zhuhai Heishi Electrical Automation Technology Co.,Ltd.,Zhuhai 519000,China
Abstract: Aiming at the shortcomings of the existing wired charging mode, such as complex wiring and lack of flexibility, a wireless charging transmission system for electric vehicles is designed. The electromagnetic and circuit parts are studied and designed respectively. The coil model of the wireless charging transmission system is obtained and the coil is manufactured successfully. The design coil is simulated by ANSYS Maxwell software. The inductance coefficient, mutual inductance coefficient and coupling coefficient between coils are obtained. The simulation results verify the feasibility of the design system.
Key words : electric bicycle;wireless charging;system design;simulation analysis

0 引言

    Nikola Tesla于19世紀(jì)發(fā)明了用于無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)的特斯拉線圈,實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸[1]。雖然傳統(tǒng)的有線電力傳輸能提供更高的效率,但是由于無(wú)線充電更方便、成本更低,近年來(lái)隨著無(wú)線充電技術(shù)逐漸走向成熟,受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[2]。從手機(jī)、牙刷充電到電動(dòng)汽車、無(wú)人駕駛飛行器,傳輸功率也從幾瓦特到幾千瓦特不等。

    一直以來(lái),電動(dòng)自行車都被大家視為新能源出行方式,更是綠色環(huán)保的成熟出行標(biāo)志。因此,近年來(lái)我國(guó)輕型電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)一直保持了80%以上的增長(zhǎng)速度,我國(guó)輕型電動(dòng)車產(chǎn)銷量已經(jīng)占到全球90%以上,成為全球最大的輕型電動(dòng)車生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和出口國(guó)[3]。但不可否認(rèn)的是,由于充電和續(xù)航的原因,使得燃油類車輛有著看似“無(wú)法被取代”的方式因而一直被視為買車首選。而無(wú)線充電技術(shù)是電動(dòng)汽車充電的理想解決方案,解決了充電不便的問(wèn)題。

    為了能夠提高無(wú)線充電的效率及其穩(wěn)定性,諸多研究人員針對(duì)不同場(chǎng)景提出了不同的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[4]中,錢尼信等人設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線充電的癲癇信號(hào)檢測(cè)器,并具有較高的檢測(cè)精度。文獻(xiàn)[5]中,劉新天等人研究了電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng),設(shè)計(jì)了拓?fù)渑c控制策略,并驗(yàn)證了方案的可行性。文獻(xiàn)[6]中,葉先萬(wàn)等人研究了一種智能無(wú)線充電系統(tǒng),有利于提高智能穿戴等微型設(shè)備的充電效率與可控制性。

    當(dāng)前由于對(duì)電池的存儲(chǔ)的電量要求較低,無(wú)線充電將特別適用于電動(dòng)自行車,在電動(dòng)自行車逐漸成為消費(fèi)者日常短途出行的重要交通工具的情況下,無(wú)線充電技術(shù)將促進(jìn)電動(dòng)自行車的進(jìn)一步發(fā)展[7-8]。因此,本文設(shè)計(jì)了一種為電動(dòng)自行車提供一個(gè)12 V電池充電的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。

1 電磁感應(yīng)充電技術(shù)

1.1 無(wú)線充電技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    無(wú)線充電技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式和無(wú)線電波式3種充電方式,是一種采用非物理接觸進(jìn)行能量傳輸?shù)男滦统潆娂夹g(shù)[9],其傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為發(fā)射器、接收器兩個(gè)部分,通過(guò)AD/DC轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器、控制器、整流器等元件實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的無(wú)線充電。

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1.2 電磁感應(yīng)式充電原理

    電磁感應(yīng)式無(wú)線充電是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線充電方式,適用于短距離無(wú)線充電,具有較高的傳輸效率。其工作原理主要依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,通過(guò)在發(fā)射端和接收端設(shè)置線圈,其中發(fā)射端線圈與交流電源連接,通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象,接收端線圈能夠感應(yīng)到發(fā)射端線圈產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào),產(chǎn)生電流供負(fù)載進(jìn)行充電,其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

    本文設(shè)計(jì)面向電動(dòng)自行車的無(wú)線充電系統(tǒng),可用于家用無(wú)線充電或在外的公用無(wú)線充電站,其中系統(tǒng)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)有一個(gè)充電墊,可以在電動(dòng)自行車停放時(shí)為其充電。發(fā)射線圈將放在地上的一個(gè)墊子上,發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將在附在電動(dòng)自行車底部的接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,通過(guò)接收器線圈與整流器相連,為電池提供直流電源。

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    其中所選用電動(dòng)自行車電池為12 V 38AH/20HR的鉛酸蓄電池,所需要傳輸距離為100 mm。為提高無(wú)線充電系統(tǒng)充電效率,設(shè)計(jì)系統(tǒng)充電時(shí)長(zhǎng)為6 h,由12 V 38AH/20HR鉛酸蓄電池?cái)?shù)據(jù)表可知,系統(tǒng)需要約14.4 V~15 V的電壓才能滿足充電要求。因此需根據(jù)電壓需求進(jìn)行充電線圈設(shè)計(jì)。

2.2 電磁設(shè)計(jì)

    諧振通過(guò)引入電容元件來(lái)消除電路中電感元件的影響,從而優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù),消除電抗。該技術(shù)具有效率高、傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),是最適合用于無(wú)線充電的一種技術(shù)。因此,該系統(tǒng)使用基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電設(shè)計(jì),這也要求了發(fā)射器和接收機(jī)器線圈以相同的頻率共振。雖然圓形平面線圈在效率和傳輸距離上不是最佳的,但由于其仿真、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,該系統(tǒng)選用圓形平面線圈設(shè)計(jì)[10]。由于在實(shí)驗(yàn)室中模擬使用,線圈使用絞合配置的銅線,選擇開(kāi)關(guān)頻率范圍為90 kHz~100 kHz,以消除對(duì)磁芯的需求,其中本文設(shè)計(jì)無(wú)線充電系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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2.3 電路設(shè)計(jì)

    由于全橋整流電路與半橋整流電路相比效率更高,中心抽頭整流橋更容易實(shí)現(xiàn),因此設(shè)計(jì)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)接收線圈的高頻交流信號(hào)進(jìn)行整流,產(chǎn)生直流充電信號(hào)。其中全橋逆變器用于將直流輸入轉(zhuǎn)換為高頻交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)線電源傳輸,同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在系統(tǒng)中使用線性電壓調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)電壓[11]。

2.3.1 逆變器設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)全橋逆變器用于將直流輸入轉(zhuǎn)換為高頻交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)線電源傳輸,同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因?yàn)樗m合高頻、低功耗、短距離應(yīng)用。全橋逆變器使用IRFP260N晶體管,晶體管的額定值為200 V、50 A,晶體管供電電壓為15 V,因此需要晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器。選擇晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓為12 V,輸出電壓為15 V,設(shè)計(jì)逆變器電路圖如圖5所示。

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    逆變器包含2個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管。門驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生高低電平兩個(gè)信號(hào),為避免短路,左右驅(qū)動(dòng)器一次只能打開(kāi)一個(gè)MOSFET,當(dāng)左驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)到MOSFET 1和一個(gè)低電平信號(hào)到MOSFET 2時(shí),右驅(qū)動(dòng)器將發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)到MOSFET 4和一個(gè)低電平信號(hào)到MOSFET 3。當(dāng)MOSFET 1和MOSFET 4導(dǎo)通時(shí),電流將從左到右流過(guò)負(fù)載。當(dāng)切換柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí),信號(hào)反轉(zhuǎn),電流從右向左流過(guò)負(fù)載,MOSFET 2和MOSFET 3導(dǎo)通。通過(guò)快速切換,在輸出端產(chǎn)生交流信號(hào)。

2.3.2 整流器設(shè)計(jì)

    整流器將發(fā)射器的高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電進(jìn)行充電,整流器中使用的二極管需具有3 A最大電流容量。因此,選擇使用1N5401二極管,容量為3 A、70 V,整流器的最大效率為81.2%,需要4個(gè)二極管和0.48的紋波系數(shù)。為了確保紋波被過(guò)濾掉,需要在輸出端連接一個(gè)大電容器,所選電容為100 μF,設(shè)計(jì)所得全橋整流器如圖6所示。

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3 ANSYS Maxwell仿真

    ANSYS Maxwell是一款電磁場(chǎng)仿真軟件,用于設(shè)計(jì)和分析電機(jī)、執(zhí)行器、傳感器、變壓器等電磁和機(jī)電設(shè)備。利用ANSYS Maxwell對(duì)線圈進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),確定線圈的自感系數(shù)、線圈間的互感系數(shù)和耦合系數(shù)[12]

    發(fā)射器和接收器線圈的設(shè)計(jì)相同,線圈有10圈,線徑為1.41 mm,半徑變化5 mm,線圈外徑為200 mm,線圈內(nèi)徑為100 mm。線圈之間的距離從10 mm~200 mm不等。使用ANSYS Maxwell軟件對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)射器和接收器線圈進(jìn)行建模和仿真計(jì)算,其仿真模型和計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

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    由仿真結(jié)果可知,在50 mm傳輸距離下,發(fā)射器自感系數(shù)為19.54 μH,接收器自感系數(shù)為19.55 μH,發(fā)射器與接收器互感系數(shù)為5.68,線圈之間的耦合系數(shù)為0.291 2。互感系數(shù)和耦合系數(shù)的傳輸距離從10 mm~200 mm不等。仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)線圈滿足要求。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng),完成了電磁和電路兩部分的設(shè)計(jì),并得到了圓形線圈模型,成功地制造了線圈。利用ANSYS Maxwell仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)線圈進(jìn)行仿真驗(yàn)證,計(jì)算得出發(fā)射器自感系數(shù)為19.54 μH,接收器自感系數(shù)為19.55 μH,發(fā)射器與接收器互感系數(shù)為5.68,仿真結(jié)果表明了線圈設(shè)計(jì)合理可行。

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作者信息:

田小松1,楊  華2,蔡先運(yùn)1,顧  淼3

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義播州供電局,貴州 遵義563000;

2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局,貴州 遵義563000;3.珠海黑石電氣自動(dòng)化科技有限公司,廣東 珠海 519000)

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