大功率无线充电系统线圈优化设计方法研究文献综述

 2022-09-21 10:29:37

  1. 文献综述（或调研报告）：

无线输电(WPT)系统市场不断发展，目前已有大量的产品采用WPT技术。手机充电是最受欢迎的应用，在我们的环境中很容易找到。该应用包括充电距离、充电面积、传输功率、屏蔽、降低辐射和温度等要求。然而，功率传输效率是评价WPT系统的关键因素之一，也是影响系统性能的重要因素。

文献[6]提出了初级线圈绕线法，使得初级线圈的最大品质能达到100KHz和6.78 MHz，这是Qi和航空燃料联盟的标准运行频率。在每个工作频率上考虑并比较了绞线和实线。为了优化初级线圈的品质在不同的工作频率和不同的线类型，可以使用像Ansys Maxwell[4]这样的软件。然而，由于它的复杂性，它需要大量的时间来处理绞合线，并且几乎不可能对绞线进行操作。特别是电阻模拟是一种非常具有挑战性的仿真工作。为了防止模拟得到电阻，通过测量提供了线圈电阻。在此基础上，提出了最优线圈线和绕线方法。

文献[2]提出，针对于磁耦合共振式无线电力传输系统, 为了抑制传输效率随传输距离的增加下降较快, 通过研究系统传输效率的影响因子, 本文提出了一种基于共振器频率控制的效率优化方法, 并在此基础上用两种优化控制方案来实现系统传输效率的控制。 仿真和实验结果表明:在同等负载下, 这种优化方法在一定范围内能够有效地稳定系统传输效率, 解决了系统传输效率受传输距离变化敏感的问题。

同时还需要关注大功率无线充电系统电磁场放射量对人体的影响，根据文献[7]，利用近场强反应的HR-WPT系统可能会在系统附近的人体内部产生高强度的内部电场，特别是HR-WPT系统可以产生比无线通信系统中使用的更高强度的场，因此，评估人体在HR-WPT系统附近产生的内部电场并确认是否符合国际安全指南是很重要的，相关的研究已经进行了。

对于商业化，最有趣的因素之一是在符合安全指南的情况下最大的允许发射功率，国际非电离辐射防护委员会和电气和电子工程师学会提供了非电离电磁场暴露的安全准则/标准，产品电磁辐射安全的测试方法和程序已由IEEE ICES/技术委员会(TC) 34和国际电工委员会(IEC) TC 106提供，对于暴露在400 kHz到30 MHz之间的电磁场并没有实验性的遵从性程序，只有一般的方面；因此，在评估非均匀电磁场暴露与安全准则/标准的依从性时，首先将测量的最大外场强度与ICNIRP指南和IEEE标准提供的参考水平或最大允许暴露值相比较。一般来说，如果测量的外场不满足参考水平，则应获得人体内部的磁场，并将其与安全准则/标准所规定的基本限制相比较。

这个计划在13.56 MHz ISM频段频率下运作的高度共振无限电力传输系统的放射量测定，是在不同的人类模型和系统之间的距离，以及在发射和接收电路之间的校准和偏差条件下实施的。在人体的具体吸收率由两步法来计算：第一步要估算出由HR-WPT系统生成的场，第二步通过关于第一步作为伴随场获得的场的离散域有限差分时域法计算出具体吸收率。HR-WPT系统引发的不均匀场的相关安全合规被放在国际安全指南里讨论，除此之外，耦合系数的概念被用于放宽最大允许发射功率，发射量测定结果派生的耦合因素被提出，在这个估算中，HR-WPT系统的外部磁场大约可以在耦合因子为4的最坏的暴露情况下才被松弛。

文献[8]为本人设计参数时提供极大帮助，其中介绍，在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时,其参数选择对系统传输性能至关重要。对发射与接收端都采用串联电路模型来分析其传输特性,得出系统频率、传输距离和负载电阻与传输功率及传输效率的关系方程。通过仿真发现系统频率的改变对传输功率的作用更为显著,不同的负载电阻对应一个最佳传输距离使得传输功率最大。基于NE555多谐振荡器设计了一套频率可调的无线电能传输装置,通过实验验证了仿真分析的合理性,研究结果可指导磁耦合谐振式无线电能传输系统选择合适的频率、传输距离及负载电阻,使得传输性能较优。

  1. Cho J, Sun J, Kim H, et al. Coil design for 100 KHz and 6.78 MHz WPT system :Litz and solid wires and winding methods[C]// IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility amp; Signal/power Integrity. IEEE, 2017:803-806.
  2. Sampath J P K, Alphones A, Shimasaki H. Coil design guidelines for high efficiency of wireless power transfer (WPT)[C]// Region 10 Conference. IEEE, 2017:726-729.
  3. Sample A P, Meyer D T, Smith J R. Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(2):544-554
  4. Luo Z, Wei X. Analysis of Square and Circular Planar Spiral Coils in Wireless Power Transfer System for Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, PP(99):1-1.
  5. Tran D H, Vu V B, Choi W. Design of a High Efficiency Wireless Power Transfer System with Intermidiate Coils for the On-board Chargers of Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, PP(99):1-1.
  6. C. Liu, C. Jiang and C. Qiu, 'Overview of coil designs for wireless charging of electric vehicle,' 2017 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power Transfer (WoW), Chongqing, 2017, pp. 1-6.
  7. 黄学良, 谭林林, 陈中,等. 无线电能传输技术研究与应用综述[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10):1-11.
  8. 黄学良, 王维, 谭林林. 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(2):2-14.

资料编号：[178665]

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