跳转至主要内容

万博ANSYS的博客

2021年10月27日

Ansys无线充电系统分析实现优化设计,缩短充电时间万博

Inductive-based无线充电系统广泛应用于医疗设备、消费电子产品和电动汽车等领域。这种技术为用户提供了极大的方便,因为电力传输没有任何电气接触。

无线充电系统的主要设计挑战和目标包括最大化效率和提高功率密度以减少设备充电时间。其他目标还包括优化热性能和考虑各种屏蔽拓扑结构的影响。

图1所示。H场流线

控制、电力电子和负载电路也是系统性能的重要组成部分。如今,仿真技术可以实现发射机和接收机线圈的电磁(EM)和热性能的三维物理建模,以及用于应用的磁通量集中器和屏蔽。集成这些,Ansys提供端到端的无线电源系统分析,基于万博物理的电路和系统建模,以实现这些目标。

对于无线充电系统的EM分析,万博Ansys麦克斯韦有限元法(FEM)技术采用自动自适应网格划分技术来预测任意尺寸线圈在任意不对中条件下的线圈耦合电感。如图2所示,这种网格划分技术确保模型使用合适、高效和准确的物理网格。它还解释了永磁体、磁性材料的影响,以及由于导电屏蔽或附近未受到可能存在于设备足迹之外的杂散场保护的物体中的涡流效应造成的损失。

Fig2a_InitialMesh.png

图2所示。(a)初始网格图

Fig2b_AdaptiveMeshing.png

图2所示。(b)自适应细化网格图

图3所示。B场轮廓的横截面在不对中

b-field-contour-in-core-and-h-field-vector-on-cross-plane

图4所示。B场轮廓为核心,H场矢量为横截面平面

虽然永磁体经常用于无线充电设备的校准,但当线圈电流产生随时间变化的正弦磁场时,它们会产生强大的静态磁场,使铁氧体核心饱和,并产生涡流效应。在这种情况下,电阻-电感(RL)参数将受到影响,如果不考虑,将影响效率分析的准确性。

万博Ansys提供了两种建模解决方案无线充电永磁体线圈。第一种解决方案是一种瞬态求解方法,它通过结合从永磁体发出的直流(DC)场与从接收器和发射机线圈产生的时变场来提供磁场分布。第二种解决方案是渗透率链接方法,通过将无线充电系统的RL参数与其他子系统(如逆变器或电池)集成,这是运行系统级分析的首选工作流。

对于消费电子产品,业界最认可的是Qi标准,该标准由无线电力联盟(Wireless Power Consortium)开发,以帮助无线充电系统标准化而闻名。为了在无线充电领域为具有不同技术背景的客户提供方便和准确的建模解决方案,Ansys Maxwell 2021 R2提供了Qi无线功率传输系统的3D组件(3DC)库,其中为功率发射器和接收器创建了54个参考设计。万博

无线充电

图5所示。永磁体无线充电

Qi标准3DC工作流程在Ansys Maxwell是直截了当的。万博每个组件的几何、激发、解决方案设置和参数都已经设置好了。通过将接收器和发射器组件拖放到Maxwell设计中,可以轻松地构建模型。然后,可以通过几个基本的模型设置步骤对设计进行分析。

qi-power-transmitter

图6所示。齐标准功率发射器与矩形线圈

图7所示。Qi标准功率发射器与多线圈扩展功率配置文件

图7所示。Qi标准功率发射器与多线圈扩展功率配置文件

传输电力,即使是无线传输,也会在发射和接收线圈以及无线充电设备的磁性和导电部分产生热量。附近的部分也可能无意中产生热量。为了达到或超过温度限制,必须预测热量的来源,并在不同的充电负荷下规划热性能,以实现优化设计。在Ansys Elec万博tronics Desktop中,您可以集成Ansys Maxwell的EM分析-包括线圈中的EM损耗(固体损耗,litz绕组损耗等),磁芯(滞后损耗),屏蔽和永磁体(感应涡流损耗)-到万博Ansys Icepak分析热性能。

large-Fig8_HysteresisLoss_New_Image.bmp

图8磁滞损耗分布

temp-plot-airflow

图9所示。气流温度图

无线充电系统的效率取决于许多因素,包括线圈质量因素、损耗和控制策略。实现频率相关的磁性有限元分析(FEA)降阶模型(rom)用于电路和系统仿真,可以在时域和频域准确预测系统效率(图10和11)。它还能够评估用于传感和控制的不同电力电子拓扑结构。

wireless-charging-system

图10所示。无线充电系统,由Maxwell生成ROM

input-output-currents

图11所示。输入和输出电流和电压

bode-plot-of-input

图12所示。输入阻抗波德图

进一步加强无线充电设计达到峰值功率和效率,万博Ansys optiSLang可与Ansys Maxwell结合,通过万博灵敏度分析识别最重要的设计变量,利用预后系数(CoP)获得可能的最佳元模型优化预后(MOP),并基于目标函数运行优化算法。

cop-matrix

图13所示。Ansys optiSLang中无线充电设计参数CoP矩阵万博

万博Ansys仿真解决方案集成了磁、热和电气系统性能,可为电动汽车、消费电子和医疗设备实现无线充电器的优化设计。该工作流程允许工程师实现新的功率级别,更高的效率,并降低新的或现有设计的产品成本。要学习如何使用Ansys Maxwell建模和分析基于感应的无线充电系统,以达到优化设计,请申请按需网络研讨会万博无线充电系统-通过模拟创造更好的设计

看看Ansys可以万博为您做什么

今天就联系我们

* =必填项

谢谢你的联系!

我们在这里回答你的问题,期待与你交谈。我们Ansys销售团队的一名成员万博将很快与您联系。

页脚的形象