1幾種無線電能傳輸技術(shù)(WPT技術(shù))系統(tǒng)的仿真分析案例幾種無線電能傳輸技術(shù)(WPT技術(shù))系統(tǒng)的仿真分析案例 11.1IC-WPT系統(tǒng)的仿真 11.1.1IC-WPT系統(tǒng)功率損耗分析 11.1.2IC-WPT系統(tǒng)實際仿真模型搭建 2 41.2ICR-WPT系統(tǒng)的仿真 61.2.1ICR-WPT系統(tǒng)仿真模型建立 61.2.2ICR-WPT系統(tǒng)初步仿真 81.2.3S-S、S-P、P-S、P-P式電容補償結(jié)構(gòu)的ICR-WPT系統(tǒng)仿真 9目前主流的WPT技術(shù)第二部分均進行了介紹與詳細(xì)分析，其中IC-WPT技術(shù)與ICR-WPT技術(shù)是最具有實際應(yīng)用價值的兩種WPT技術(shù)，而且技術(shù)也相對而言成熟，本部分進行充電的標(biāo)準(zhǔn)，且技術(shù)不成熟，原理不明確，無法進行仿真，本部分不再進行對R-WPT1.1IC-WPT系統(tǒng)的仿真1.1.1IC-WPT系統(tǒng)功率損耗分析感應(yīng)原理決定的無可避免的損耗，因此對于IC-WPT系統(tǒng)所進行的功率損耗主要會因歐姆損耗進而產(chǎn)生熱損耗，也會造成BEV車體上二次側(cè)接收端線圈附近的磁性導(dǎo)體部2分產(chǎn)生熱損耗，隨著溫度的不斷升高，極易造成安全隱患，例如對WPT裝置附近的活體造成燙傷燒傷。因為IC-WPT系統(tǒng)并不是封閉式結(jié)構(gòu)，一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間存在一定空隙，所以對一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間混入的雜物也會造成發(fā)熱甚至燃燒。如有磁性導(dǎo)體型物體如易拉罐等混入一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間，不光會因為電磁感應(yīng)而變成純電阻進行不斷加熱，更會改變一次側(cè)發(fā)射端線圈原本發(fā)射的電磁場結(jié)構(gòu)，使其無法對準(zhǔn)二次側(cè)接收端線圈。鑒于熱場在IC-WPT系統(tǒng)仿真中占據(jù)十分關(guān)鍵的地位，因此本文仿真將針對電磁場與熱場同時進行仿真試驗。除等效歐姆電阻損耗外IC-WPT系統(tǒng)還有開關(guān)電碳損耗與磁性器件的損耗，因其無法進行仿真，因此只做討論。1.1.2IC-WPT系統(tǒng)實際仿真模型搭建IC-WPT系統(tǒng)分為一次側(cè)與二次側(cè)，其中一次側(cè)作為能量發(fā)射端，二次側(cè)作為能量接收端，一次側(cè)發(fā)射端中的核心部件為一次側(cè)發(fā)射端線卷，二次側(cè)接收端中的核心部件為二次側(cè)接收端線圈。一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間的整體空間結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示：一次側(cè)與二次側(cè)組成結(jié)構(gòu)類似，均是底層由鋁板支撐，鋁板上覆蓋鐵氧化物，鐵氧化物上放置著由導(dǎo)電性良好的銅導(dǎo)線所繞成的線圈，線圈由不導(dǎo)電，不具有磁性且阻燃的材料覆蓋，自此就是各側(cè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。各側(cè)的材料結(jié)構(gòu)剖面圖如下圖3-2所示：3本次仿真因為針對電磁場與熱場同步進行仿真，因此需要進行電磁仿真時的模型與進行熱場仿真時的模型高度吻合，最好其參數(shù)一致，因此在建立模型時必須選擇好合適的參數(shù)，搭建一個能夠在電磁場仿真試驗中與熱場仿真試驗中均可以使用的IC-WPT模型。在實際充電過程中，一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈不能每次都達到完美的水平對齊角度無偏移狀態(tài)，因此除對一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈完全對齊的狀態(tài)進行模擬外有余力還將對未完全對齊的狀態(tài)進行模擬，這里給出了水平與角度偏移條件下的線圈空間位置情況。IC-WPT仿真中電磁場部分主要由：構(gòu)建幾何模型，確定邊界條件，設(shè)計等效電路，設(shè)置參數(shù)，進行仿真求解等這幾步構(gòu)成。其中構(gòu)建幾何模型的過程較為復(fù)雜，且與本文內(nèi)容關(guān)4聯(lián)不大，因此不在此贅述。邊界設(shè)置采用零H切向分量的設(shè)置方法，且磁場物理邊界在幾何模型的最大基礎(chǔ)上再增加十分之一。等效電路的設(shè)置為：電阻為傳輸功率的0.00367倍，且接地與電流流向也需要注意。各類IC-WPT系統(tǒng)目前的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為85KHz,因此在頻率設(shè)置時也需要設(shè)置為85KHz。各類參數(shù)設(shè)置完畢后經(jīng)過系統(tǒng)校驗即可開始仿IC-WPT仿真中熱場部分主要由：模型的建立，添加負(fù)載，進行仿真求解這幾步組成。負(fù)載的添加需要通過電磁場部分的仿真結(jié)果選取合適的參數(shù)進行添加，環(huán)境溫首先進行仿真的自然是一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈完全對準(zhǔn)的條件下進行的，經(jīng)過仿真后獲得了一次側(cè)發(fā)射端線圈的自感，如下圖3-4所示：0二次側(cè)接收端線圈各自的自感，如下圖3-5所示：0同時得到了一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間的耦合互感，如下圖3-6所示：502仿真中同樣得到了一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈之間電磁場分布的矢量圖，如下圖3-7所示：由圖3-7的所示結(jié)果可得，當(dāng)線圈為平面式圓形螺旋設(shè)計時產(chǎn)生的電磁場是非常理想的無極性擴散的電磁場。雖然輻射較為分散，導(dǎo)致其耦合系數(shù)較低，但有著均勻的優(yōu)點，因此普適性較強，再加上這種線圈結(jié)構(gòu)簡單，因此算是一種較為理想的IC-WPT設(shè)計方式。通過M與L1、L2,求得當(dāng)前耦合系數(shù)k為0.149,仿真結(jié)果與第二部分中進行的理論分析計算結(jié)果相比誤差較小，均在百分之十以內(nèi)，因此符合誤差允許范圍的要求，可根據(jù)本次電磁場仿真中獲得的結(jié)果設(shè)定負(fù)載參數(shù)，并結(jié)合最初設(shè)定的參數(shù)進一步進行熱場仿真。經(jīng)過仿真后得到IC-WPT系統(tǒng)整體的熱度分布情況：6通過圖3-8,可見其功率損耗最嚴(yán)重部分的即是熱度最高的部分，也就是一次側(cè)發(fā)射端線圈，這也與第二部分中理論分析的結(jié)果相吻合。二次側(cè)接收端連接負(fù)載后一次側(cè)會等效出電阻，因此產(chǎn)生歐姆損耗。金屬板產(chǎn)生的渦流卻并不如預(yù)計的那樣會產(chǎn)生極為嚴(yán)重的損耗，與線圈的歐姆損耗比相形見絀。而系統(tǒng)整體的漏磁損耗與磁滯損耗也很低，雖然達不到可以完全忽略的程度，但在設(shè)計IC-WPT系統(tǒng)時基本可以不多加考慮。綜上所示，此次仿真證明IC-WPT系統(tǒng)具有著良好的適用性，隨能量集中程度不高，但結(jié)構(gòu)簡單，能量損耗與發(fā)熱量在可控范圍內(nèi)，基本達到了第二部分中理論分析所得的結(jié)果。ICR-WPT系統(tǒng)因其使用先進的ICR電磁諧振耦合原理進行電能傳輸，因此在ICR-WPT系統(tǒng)仿真時需要結(jié)合其原理特點考慮。ICR-WPT系統(tǒng)中雖然也會因為二次側(cè)接收端接入負(fù)載導(dǎo)致一次側(cè)接收端等效電路中產(chǎn)生等效歐姆電阻，但在理論分析階段我們已經(jīng)得出結(jié)論，ICR-WPT系統(tǒng)不同于IC_WPT系統(tǒng)，因其傳輸原理的差別，二次側(cè)接收端線圈在工作時的狀態(tài)是處在與一次側(cè)發(fā)射端線圈頻率完全相同的諧振中，一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈均發(fā)出電磁場且形成耦合，因此在IC-WPT系統(tǒng)中一次側(cè)發(fā)射端中等效的歐姆電阻在ICR-WPT系統(tǒng)中因為影響較小所以可不予考慮。目前已有的對ICR-WPT進行的很多實驗都表明，ICR-WPT系統(tǒng)在一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈發(fā)出的電磁場交磁時會產(chǎn)生IC-WPT系統(tǒng)中類似的渦流，但遠遠小于IC-WPT中渦流對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，IC-WPT中的渦流對系統(tǒng)影響有限，因此在渦流對系統(tǒng)影響更小的ICR-WPT系統(tǒng)中直接忽略。7ICR-WPT系統(tǒng)中一次側(cè)線圈發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈也會因為處于自身發(fā)出的磁場中產(chǎn)生自耦，但因其自身發(fā)出頻率較高的磁場，二次側(cè)接收端線圈雖然作為能量接收端但卻同樣發(fā)出磁場，其自身在交磁中產(chǎn)生的自耦對系統(tǒng)影響甚微，因此可忽略這種微不足道的自耦。在ICR-WPT的建模過程中必須要清楚，雖然ICR-WPT系統(tǒng)產(chǎn)生的交變電磁場會蔓延到線圈范圍以外很遠的地方，但在仿真過程中卻需要設(shè)定好邊界，在邊界內(nèi)進行仿真，才會得到比較真實的仿真結(jié)果。ICR-WPT系統(tǒng)產(chǎn)生的交變電磁場集中程度要好于IC-WPT系統(tǒng)，因此在距離ICR-WPT系統(tǒng)較遠的位置時電磁場強度已經(jīng)微乎其微，對系統(tǒng)的影響已可被忽略，如下圖3-9中小半圓與大半圓中間所夾的部分。我們將這種部分稱為電磁場外圍區(qū)域，在仿真中忽略外圍區(qū)域及其以外區(qū)域的電磁場，因此將邊界設(shè)定至電磁場外圍區(qū)域，外圍區(qū)域及以外認(rèn)為沒有磁場。圖圖ICR-WPT系統(tǒng)中我們認(rèn)為并不存在歐姆電阻，因此在進行仿真時無需考慮如同IC-WPT系統(tǒng)中的熱場，只需對電磁場進行仿真。建立模型的詳細(xì)參數(shù)在此不必贅述，只指出模型建立過程中幾點關(guān)鍵之處：ICR-WPT系統(tǒng)與IC-WPT系統(tǒng)不同，IC-WPT系統(tǒng)的二次側(cè)接收端線圈最好小于一次側(cè)發(fā)射端線圈，這樣才能有效地進行能量拾取，但ICR-WPT是通過一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈同時發(fā)出頻率相同的交變電磁場進行電磁諧振耦合進行能量傳輸，目前所存在的很多研究結(jié)果表明當(dāng)一次側(cè)接收端線圈與二次側(cè)接收端線圈參數(shù)較為一致時傳輸效率較高，因此此次仿真也將一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈設(shè)置為相同參數(shù)，來達到較高的耦合效果。本次仿真所設(shè)置頻率與目前已知的能夠進行ICR式WPT傳輸?shù)念l率一致，所采用的是11.5MHz,另一頻率雖然理論上效率更高，但因目前技術(shù)不夠成熟研究不夠充分因此無法進8行仿真。經(jīng)過初步仿真得到的線圈電磁場耦合強度如下圖3-10圖所示，一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈周圍由高頻變化的交流電能輸入形成的交變電磁場強度基本一致，可形成近似對稱，結(jié)果比較理想。0圖3-11為線圈周圍電磁場內(nèi)的磁感應(yīng)線分布情況，通過圖中的磁感應(yīng)線分布我們可以看到，一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)線密集程度遠遠大于線圈外的散射磁感應(yīng)線，因此其線圈之間電磁耦合程度是相當(dāng)高的，基本已達到了預(yù)期的效果。且由此也可以得出初步判斷：ICR-WPT系統(tǒng)效率因其磁場集中，一次側(cè)發(fā)射端線圈與9初步仿真后，又對ICR-WPT系統(tǒng)影響最大的因素———次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈之間距離的幾種不同情況進行了仿真。如下圖3-12所示。由圖3-12的仿真結(jié)果可知一次側(cè)發(fā)射端線圈與二次側(cè)接收端線圈相距越近兩線圈之間在第二部分對ICR-WPT進行理論分析時，本文根據(jù)一次側(cè)發(fā)射端電路與二次側(cè)接收端電路中電容補償方式串聯(lián)并聯(lián)的不同，提出了四種結(jié)構(gòu)的ICR-WPT系統(tǒng)，分別是S-S即串因此需對其進行仿真試驗，通過同樣參數(shù)下得到的仿真結(jié)果來進行比較，判定四種方式的經(jīng)過建模、等效電路的設(shè)置、參數(shù)選擇、仿真后得到了