无线充电系统仿真
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。
基于QI标准线圈的磁谐振无线充电系统仿真研究_陈艳_陈新
ISSN 1009-3044 第Com1p1u卷ter第Kn1o0wl期edg(e2a0n1d5T年ech4no月lo)gy 电脑知识与技术
Vol.11, No.10, April 2015
E-mail:kfyj@ ComputehrttKpn:/o/wwlwedwg.ednanzds.nTect.hcnnology 电脑知识与技术
CHEN Yan, CHEN Xin (Hunan University of Humanities Science and Technology, Loudi 417000, China) Abstract: This paper uses the Qi standard A5 coil of magnetic resonance wireless charging simulation. The paper researched the magnetic resonance wireless charging system using the Qi specifications A5 coil. Firstly, the paper deduced the system transmis⁃ sion efficiency and load power of magnetic resonance wireless charging system by AC impedance method; then the A5 coils’induc⁃ tance, resistance, coupling coefficient and the intensity of the magnetic field was calculated and simulated using the finite element software Maxwell; finally the co-simulation to verify the correctness of the theory by using Maxwell and Simplorer software. The simulation results show that the magnetic resonance wireless charging system have better transmission distance and better trans⁃ mission efficiency than Qi electro-magnetic induction charging system.
基于MATLAB的电动汽车无线充电系统仿真
基于MATLAB的电动汽车无线充电系统仿真摘要：本文根据磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计无线充电系统，对电动汽车无线充电特性进行分析。
根据谐振原理和等效电路理论，确定工作频率范围、电感值和补偿电容值，设计SS型耦合谐振式电路参数。
基于MATLAB 软件搭建仿真模型。
选取合适的参数进行仿真实验，对应传输效率为97.8%。
关键词：电动汽车；无线充电系统；磁耦合谐振式前言随着科技的不断进步，越来越多的电子电器行业都在涉足无线充电技术领域。
无线充电技术是一种利用磁场来传输能量，不需要电线进行传输的技术。
无线充电系统避免了漏电等安全隐患，充电过程不会对人体造成辐射和危害，且在电动汽车等领域中，也不会影响其他电子设备的正常运行[1]。
此外，无线充电还具备电满自停功能，可避免过多能源的浪费，更能够满足环保节能的要求[2]。
本文以电动汽车充电为研究背景，根据磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计了无线充电系统，对电动汽车充电特性进行分析。
1无线充电原理电动汽车无线充电系统主要由发射器和接收器组成。
发射器一般由两个部分组成：电源和电磁线圈。
电源通过电磁线圈将电能转换成交流电后传输到接收器。
接收器也由电磁线圈和电路组成。
电磁线圈接收来自发射器的电能，并将线圈产生的电能转换为直流电以供电动汽车使用。
电磁共振式、电磁感应式、磁耦合谐振式和无线电波式是目前来说四种常见的无线充电技术。
它们各自具有不同的优缺点和适用范围[3]。
本文选择了磁耦合谐振式无线充电技术。
考虑到电感中导线的阻值无法忽略，为了分析补偿网络建立了含线圈电阻的电路模型，如下图1所示。
图1含线圈电阻电路模型图2是松耦合变压器电路等效模型，表示了互感M和原、副边漏感，增加了原副线圈电流ip和is流向。
图2等效模型根据KVL可得原副边的电压和电流关系：传输效率为:原、副边谐振频率f p和f s为:原、副边品质因数Qp和Qs为:耦合系数K的计算公式：2 实例分析2.1仿真参数根据表1参数进行相关设计，确定线圈电感值。
基于双LCC结构电动汽车无线充电系统仿真设计
第36卷第10期电力科学与工程V ol. 36, No. 10 2020年10月Electric Power Science and Engineering Oct., 2020 doi: 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2020.10.003基于双LCC结构电动汽车无线充电系统仿真设计孙舒瑶，高金凤（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）摘要：近年来无线充电方式以其安全、便捷等优势被越来越多地应用。
设计基于磁耦合谐振技术的电动汽车无线充电系统，补偿电路采用双LCC拓扑结构。
首先进行原理分析，对比Series-Series（SS）与双LCC补偿拓扑结构，建立互感耦合模型并根据输出功率、效率表达式绘制曲线，比较两种结构工作特性，分析曲线得到采用双LCC结构的优势；磁耦合机构选用不对称平面单线圈结构以增强系统的抗偏移能力，通过建立等效磁路模型计算耦合系数表达式，在MATLAB/SIMULINK上搭建仿真电路，探究电路自身工作特性，得出耦合系数、负载、调谐电感等变量对系统输出的影响，并与理论结果进行比较；在Ansys Maxwell上对磁耦合机构仿真，改变磁芯结构以及发射接收端线圈水平、垂直方向位移距离，通过云场图反映磁场大小，从而确定最佳结构；最后使用Ansys Simplorer搭建电路，与磁耦合机构进行场路联合仿真，反映瞬态磁场分布情况，验证本设计的可行性。
关键词：电动汽车；无线充电；磁耦合谐振；双LCC；场路耦合中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2020)10-0016-08 Design and Simulation of Wireless Power Transfer System ofElectrical Vehicle Based on Double-LCC Compensation TopologySUN Shuyao,GAO Jinfeng(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-tech University, Hangzhou 310018, China)Abstract: The Wireless Power Transfer (WPT) system has been used widely because of its advantages of safety and convenience. A WPT system of Electrical Vehicle (EV) based on magnetic coupled resonance technology and Double-LCC compensation topology is designed. Firstly, through analyzing the theory, and comparing SS with double-LCC structure based on mutual inductance coupling models, the curves according to the power and efficiency expressions are plotted. Then, one can obtain the performance of two structures and the merits of double-LCC structure. The magnetic coupling mechanism uses收稿日期：2020-06-17基金项目：浙江省自然科学基金（Y20F030015）作者简介：孙舒瑶（1998—），女，主要研究方向为无线电能传输；高金凤（1978—），女，教授，主要研究方向为自动控制系统及其仿真。
电动汽车无线充电系统的设计与仿真
－９００
（１）
Ｉ１
＝－ｊω０１Ｌｆ１ＵＡＢ
＝ω０１Ｌｆ１ＵＡＢ∠
－９００
Ｉ２ ＝ｊω０１Ｌｆ２Ｕａｂ ＝ω０１Ｌｆ２Ｕａｂ∠００
图 ３ 双 Ｄ线圈简易图 图 ４ 单极线圈简易图
第 ２期
季乐乐，等：电动汽车无线充电系统的设计与仿真
２０７
输出不同的性质，通过改变驱动信号的频率实现稳 定输出。
３ 电动汽车无线充电补偿结构设计
在 ＷＰＴ系统中，能量通过发射和接收线圈的 电感传递，对于有功功率的传输漏电感没有直接的 贡献。由于发射和接收线圈之间的距离很大，这导 致 ＷＰＴ系统有一个大的漏感但互感小。增加耦合 度这对线圈设计毫无疑问是重要的。同时，用于取 消漏感的补偿电路也是十分重要的。通常情况下， 电容器被添加到电路中形成磁耦合谐振电路［６］。
到目前为止，学者们已经提出了很多不同的补 偿拓扑结构，这些补偿拓扑结构被广泛的应用在谐 振电路中。根据谐振电容与线圈的连接方式有四 种基本的 补 偿 结 构，即 串 联 串 联 （ｓｓ）、串 联 并 联 （ｓｐ）、并联串联（ｐｓ）、并联并联（ｐｐ），对于 ＳＳ拓扑 结构，一次侧的电容与耦合系数及负载无关，对于 ＳＰ、ＰＳ、ＰＰ补偿结构，一次侧的电容随着耦合系数 及负载变化而变化。但是对于 ＳＳ补偿，一次侧线 圈电流会随着耦合系数和负载的改变而改变。对 于应用在电动汽车上的无线输电技术而言，恒定的 一次侧电流可以使系统很容易的工作在额定条件 下，对于要使 ＳＳ补偿的一次侧电流保持稳定，则需 要额外的相移或占空比控制从而增加了控制的复 杂度和失 去 了 软 切 换 的 条 件。 文 献 ［８］中 指 出 采 用 ＳＳ补偿电路的系统，它的输出功率与互感 Ｍ成 反比，这样 不 利 于 应 用 在 电 动 汽 车 无 线 充 电 技 术 中。而双 ＬＣＣ补偿结构，不仅具有 ＬＣＬ结构一次 侧电流恒定的特点［８］，同时还具有完美的对称性， 设计过程更简单，可以工作在某个固定频率点达到 单位功 率 因 数，电 压 电 流 应 力 小［９］。 因 此 采 用 双 ＬＣＣ补偿结构如图 ３。
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：
电动汽车无线充电仿真系统优化设计
电动汽车无线充电仿真系统优化设计付晶;龚国庆;陈勇;马士然【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2018(35)11【摘要】针对实现电动汽车磁耦合谐振式无线充电的问题,在Matlab中编程计算,首先得到各影响因素对磁耦合谐振式无线充电效率的影响,其次根据磁耦合谐振无线充电等效电路模型,搭建了磁耦合机构的互感电路模型,在Madab/Simulink仿真平台上构建了实时工况下的完整的电动汽车磁耦合谐振无线充电仿真模型.计算得到各个影响因素即传输频率、线圈半径、发射线圈与接收线圈等效电阻与系统传输效率之间的关系,仿真结果表明:随着传输频率与线圈半径的增大,传输效率升高,随着发射线圈与接收线圈等效电阻的增大,传输效率降低.在Simulink仿真平台上搭建了完整的磁耦合谐振无线充电仿真系统,得到理想的充电电压与充电电流图,能够为以后复杂工况下无线充电系统仿真计算提供可靠的理论指导.【总页数】5页(P156-160)【作者】付晶;龚国庆;陈勇;马士然【作者单位】北京信息科技大学机电工程学院,北京100192;北京信息科技大学机电工程学院,北京100192;北京电动车辆协同创新中心,北京100192;北京信息科技大学机电工程学院,北京100192;北京电动车辆协同创新中心,北京100192;北京信息科技大学机电工程学院,北京100192【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计 [J], 郑广君2.电动汽车无线充电系统--汽车的无线充电宝 [J], 中国科技网3.基于耦合变压器补偿技术的电动汽车无线充电系统优化设计 [J], 吴金华4.电动汽车无线充电技术可行性研究 [J], 段佳钢;李玉琴;马立聪5.电动汽车无线充电系统耦合线圈的优化设计 [J], 郭微;张健因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
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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。
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