无线充电耦合共振线圈的研究

徐 帆

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

无线充电耦合共振线圈的研究

徐 帆

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

针对磁耦合共振型无线充电系统中耦合线圈，对传统的两线圈耦合进行分析并设计出三线圈的耦合模型。利用Maxwell有限元仿真软件对两线圈耦合模型以及三线圈耦合模型进行有限元仿真。利用Multisim仿真软件设计出整体无线充电电路对电路进行仿真。验证三线圈与两线圈耦合模型的传输效率，并得出在距离相等的条件下三线圈每个接收线圈与两线圈的接收线圈的传输效率接近，但由于三线圈有两个接收线圈可以同时工作，更具实际意义。

无线充电；磁耦合共振；Maxwell

随着科技的不断发展，无线充电技术已然成为热门研究方向之一。而目前无线电能传输分为3大类：第一类为电磁感应耦合方式；第二类为辐射式无线能量传输技术；第三类为磁耦合共振方式。以3种无线充电方式为基础，衍生出5种主流的充电标准：Qi标准、Power Matters Alliance(PMA)标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准、iNPOFi技术、Wi-Po技术[7]。

无线充电联盟(WPC)共同制定的无线充电标准Qi采用的是电磁感应方式。但这技术还有比较多的缺陷，比如最大输出功率只有5 W，所以充电速度上会有局限。从市场规模上，Qi无疑是目前最为普及的，值得关注的是，Qi的最新标准可实现7～45 mm的无线充电距离，算是一个小突破。但存在频率过高会对人体造成危害以及无法更好散热的缺点。而电磁辐射式存在能量损耗较大的缺点。而A4WP所使用的近距磁共振技术可同时充电多个设备，且在设备的位置与角度上较具弹性，其充电能力与时间也较符合消费者期待。相对前两种，它的传输距离较大，而且对位置和距离不敏感，传输能量损耗小等优点。是无线充电发展的新方向。

传统的两线圈磁耦合共振无线充电系统相对已经成熟，而新型双充系统即三线圈耦合模型也开始进行研究。文章通过仿真设计出三线圈耦合共振模型，证明三线圈在实际应用中更具有实际意义。

1 耦合共振型无线充电原理

电磁耦合共振式无线充电系统电路模型借助两个共振线圈进行能量无线传输。模型如下图1所示，图中，输入电压源电压为U1，耦合共振线圈L1和L2，在高频磁场下的电阻为R1和R2，产生的电容分别C1和C2；RL为负载。

图1 耦合共振型无线充电电路模型

若传输系统的角频率为ω，则初级，次级的阻抗为Z1，Z2。则线圈的KVL方程为

Z1I1-jωMI2=U1

(1)

-jωMI2+Z2I2=0

(2)

其中，M为发射和接收线圈之间的互感，通过模型得出阻抗

(3)

(4)

将式(3)和式(4)，带入式(1)和式(2)，联立求解初级和次级电路的电流

(5)

(6)

得到磁耦合共振无线充电系统负载功率和输入功率为

(7)

(8)

则无线充电系统的传输效率为

(9)

若系统处于谐振的状态，则系统的传输效率

(10)

由式(10)可知，系统的传输效率与线圈的互感，内阻以及负载有直接关系[2]。

2 Maxwell仿真

Maxwell仿真软件具有导向式的用户界面，高精度的自适应部分技术和强大的后处理能力，Maxwell可以分析涡流、位移、电流、趋肤效应和邻近效应，通过仿真可以得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部分的整体特性。功能损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗、力、扭矩、电感、储能等参数可以通过仿真计算得出同时软件也可以给出整个相位的磁力线、B/H分布图、能量密度、温度分布图等图形结果[1]。如图2是两线圈的Maxwell 3D磁耦合共振模型，其中线圈半径为51 mm，每个线圈十匝。线圈采用多股缠绕得出方式进行，能够有效减少趋肤效应对线圈内阻的影响。外部激励电流2 A，534 kHz的频率下仿真得到发射线圈与接收线圈磁场分布。

图2 两线圈的磁场分布图

两线圈相距10 cm，各自谐振产生磁场，且磁场强度较强的地方只要集中在正在流过电流的线圈的周围，距离磁场较远的线圈中心和外围处，磁场的强度较弱。在磁场强度在相同条件下，即两个接收线圈分别距发射线圈5 cm时，三线圈的磁场分布图。

图3 三线圈的磁场分布图

从图2和图3可以得出，在相同条件下，两线圈的电磁感应的强度为0.004 766 T,而三线圈的电磁感应强度为0.004 822 T。此三线圈为对称的耦合共振线圈。在此条件下，相同的条件下两线圈和三线圈发射线圈(Winding1)与接收线圈(Winding2)的电流、电压波形如图4和图5所示。

图4 两线圈发射、接收线圈电流波形

图5 三线圈接收线圈两侧端电压波形

由图4可知，三线圈与两线圈在相同的条件下，增加出一个接收线圈的电压波形。但由于线圈与线圈之间存在互感，三线圈的耦合共振输出波形会存在一定的差异。且三线圈的仿真模型为接收线圈在发射线圈两侧。若两个接收线圈为同侧，在同等的条件下，其中一个接收线圈可作为中继线圈，从而使接收线圈在接收电压相同的情况下，传输距离更大。

3 Multisim的电路仿真

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[8]。如图6为整个电路的仿真电路图

图6 无线充电系统电路图

该软件借用了Spice软件的主要功能，即使使用者就算不理解庞杂的 Spice功能图的调试、仿真与分析, 也能够迅速地借助Multisim 进行自己所画的电路可以在设计流程上提前对电路图进行快速地校验,从而大大缩短电路图生成周期。如图表1所示，当负载等于10 Ω的时候通过计算及仿真得到的传输效率。

表1 两线圈和三线圈分别的传输效率

从表1中能够得出三线圈结构与两线圈结构的无限传输效率相近，传输效率与互感，线圈内阻以及负载有关，与线圈个数无关。

4 结束语

本文利用Maxwell与Multisim对无线充电系统进行仿真研究。得出在相同的条件下，三线圈两接收线圈对称在发射线圈两侧的情况下，负载的传输效率相近。但由于三线圈有两个负载，因此负载功率会比两线圈更高。更具有实用性。

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Research on Wireless Charging Coupling Resonant Coil

XU Fan

(School of Optoicai-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,
Shanghai 20093, China)

In this paper, the coupling of the coil in the magnetically coupled resonant wireless charging system is analyzed, and the coupling of the two coils is analyzed and the coupling model of the three coils is designed. The two coil coupling model and the coupling model of the three coils are simulated by Maxwell finite element simulation software. Using Multisim simulation software to design the whole wireless charging circuit to simulate the circuit. The transmission efficiency test three and two coils coupled model, finally draw close to the transmission efficiency of the receiving coil distance under the condition of the same three coils of each receiver coil and the two coil, but due to the three coil with two receiving coil can work at the same time, more practical.

wireless charging; magnetic coupling resonance; Maxwell

2016- 11- 07

徐帆(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：无线充电。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.037

TN81

A

1007-7820(2017)02-142-02