原标题：对无线电力传输电路中的损耗进行建模

　　无线电力传输(WPT)是一个已经知道了很长一段时间的过程，可以追溯到特斯拉线圈的发明。由于一些有价值的优点(缺少电缆和连接器，以及功率发射器和接收器之间的高度隔离)，该技术如今在电动汽车充电、手机充电、医疗设备等应用中发挥着相关作用。1,2 基于标准或电感耦合工艺，WPT需要实现高效率，最大限度地减少功率损耗。

　　本文提出了一种基于软件的创新WPT电路建模方法。通过提取线圈给定定位的等效电路，可以提供功率损耗的准确估计。特别是，该模型可以估计损耗的类型(传导、涡流或磁芯)及其来源(TX/RX 绕组或 TX/RX 磁芯)。损耗分析对于设计线圈的形状和结构以及预测系统的哪些部分在充电过程中会产生更多热量至关重要。软件模型将所有功率损耗表示为属于建模电路的电阻的功耗。通过将预测损耗与在10 W WPT系统上进行的测量进行比较，验证了所提方法的结果， 考虑线圈的对准和错位条件。阅读原文 这里.

　　用于手机电池充电的经典WPT系统框图如图1所示。发射器包括 DC/AC 逆变器和 TX 线圈，而接收器包括 RX 线圈、AC/DC 整流器和其他用于电池充电器的转换系统。电容器 CrTX 和 CrRX 通过引入负电抗，在开关频率范围内最大化功率传输。中间电压V.mid 通常通过低带宽控制环路进行调节，该环路将反馈信号无线传输到发射器。反过来，这可以通过改变开关频率或TX全桥的相移来调节目标电压。在该电路中，损耗主要是由于TX和RX线圈的铜和铁芯损耗。

　　图1：无线手机充电器框图

　　电路模型

　　以下关系描述了发射线圈和接收线圈的电压和电流特性：

　　哪里：

　　相应的模型如图 2 所示，其中 N1 和 N2 分别是 TX 和 RX 线圈的匝数。三种阻抗 Z11, Z22和 Z12 的公式 1 可以表示为 Z一个, ZB和 ZC.

　　图 2：TX 和 RX 线圈的电路模型

　　上述所有阻抗都是频率的函数，其值可以通过直接测量来确定，也可以通过软件模拟预测。在给定频率下 ω、每个阻抗 Z一个, ZB和 ZC 可以用电阻器和电感器的串联代替。所有这些电阻的耗散表示给定频率下系统的总损耗。

　　以下方法基于三种电气工况的有限元法 (FEM) 仿真，以及使用 FEM 分析工具计算任何第 i 个元件的损耗：

　　我德克萨斯州 常量，与 我接收= 0

　　我接收 常量，与 我德克萨斯州= 0

　　我德克萨斯州 常量，与 我接收= –我德克萨斯州 N1/N2

　　考虑到串联的元件，图2的电路成为图3所示的模型。

　　图3：串联电路模型

　　电阻 R人工智能, R毕和 R词 可以通过求解以下方程组来计算，其中 P我', P我"和 P我"' 是上述情况下第 i 个元件上的功耗。

　　对于工作频率范围较宽的电路，图4a的集总模型可用于 Z一个 或 ZC 和图 4b 的模型 ZB.

　　图 4：频率范围更宽的等效电路

　　软件模型

　　图1电路中的损耗主要是由于电涡流铜损耗集中在接收器侧。在图3的电路模型中，涡流损耗由电阻表示。FEM软件可以应用上述三个条件预测不同位置的损失。对于线圈，FEM 仿真通常使用利兹线(涉及需要考虑大量参数的高复杂几何形状)或 FastHenry 等工具进行3 (其中几何形状由一组电流导线近似)。

　　在我们的例子中，选择了混合方法，4 提供清晰的电路解释，同时利用有限元分析的灵活性来准确表示几何形状。该软件可以分为三个主要步骤：

　　利兹线的几何生成。TX 和 RX 线圈的模型基于利茨线绞线的离散化，作为单根线与具有给定电阻的其他线耦合。

　　计算链级耦合。完成此步骤后，计算出的所有耦合都允许创建耦合电路，如图5所示。

　　提取电气模型。使用图5的等效电路，软件计算损耗 P我', P我"和 P我"' 在前面定义的三回路条件中引用。

　　图5：每股联轴器的电当量模型

　　实验结果

　　图6所示的测量设置已用于确定TX和RX线圈阻抗，其中线圈之间的距离可以使用电动线性、旋转和测角平台进行修改。软件算法产生的预期结果与阻抗/矢量网络分析仪BODE100测量的实际结果进行检查。图7显示了实际测量结果与软件电路仿真之间的比较。

　　图6：测量设置

　　图 7：模型和度量比较

　　所提出的基于软件的WPT电路建模方法可以精确估计损耗、损耗类型(涡流、传导和磁芯)及其位置(TX/RX磁芯或TX/RX绕组)。

　　引用

　　1柯林斯，L.(2007)。“剪断绳子。”电子系统与软件，第 5 卷，第 6 期，第 42–46 页。

　　2Kim等人(2015)。 “具有自适应多相快速充电策略的无线锂离子电池充电平台。” 2015 年 IEEE 能源转换大会和博览会 (ECCE)，魁北克省蒙特利尔，第 3087–3091 页，doi：10.1109/ECCE.2015.7310092。

　　3卡蒙等人(1994年)。“FastHenry：多极加速3D电感提取程序。IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， Vol. 42， No. 9， pp. 1750–1758.

　　4贝蒂尼等人(2017)。“用于求解多面体网格涡流问题的体积积分公式。”IEEE Transactions on Magnetics，第 53 卷，第 6 期，第 1-4 页，第 7204904 号艺术。