【电路仿真】无线充电无线电力传输WPT系统S-S电路仿真模型
【电路仿真】无线充电无线电力传输WPT系统S-S电路仿真模型
摘要
本文基于S-S补偿拓扑，研究了无线电力传输（WPT）系统的建模与仿真。S-S电路拓扑结构通过在发射端和接收端分别添加串联电容，提高了系统的功率传输效率和传输距离。本文建立了WPT系统的数学模型，并基于MATLAB/Simulink环境搭建了S-S电路仿真模型。仿真结果验证了所提模型在不同负载和耦合系数条件下的性能。
理论
1. 无线电力传输（WPT）系统原理
WPT系统通过电磁耦合在发射端和接收端之间传输电能。S-S补偿拓扑是其中一种常用的补偿方法，通过在发射端和接收端串联补偿电容，调谐系统的谐振频率，从而最大化传输功率。
系统的基本方程为：
2. S-S补偿拓扑的特性
高传输效率：通过谐振补偿减少系统损耗。
稳定性：适用于不同负载条件下的稳定功率传输。
设计简单：只需调节补偿电容即可优化系统性能。
实验结果
仿真模型在MATLAB/Simulink中搭建，如图所示。通过对不同负载和耦合系数下的性能进行仿真分析，得到以下结果：
1. 功率传输效率：在最佳谐振条件下，系统效率超过90%。
2. 耦合系数影响：随着线圈间距离增加，耦合系数下降，传输效率显著降低。
3. 负载变化：负载变化时，S-S补偿拓扑能够维持稳定的输出功率。
仿真结果展示了系统的电压、电流波形以及效率曲线，验证了S-S电路在不同条件下的鲁棒性。
部分代码
% 无线电力传输系统参数
L1 = 50e-6; % 发射端线圈自感 (H)
L2 = 50e-6; % 接收端线圈自感 (H)
M = 10e-6; % 互感 (H)
C1 = 1/(L1 * (2*pi*100e3)^2); % 发射端补偿电容 (F)
C2 = 1/(L2 * (2*pi*100e3)^2); % 接收端补偿电容 (F)
R1 = 0.5; % 发射端线圈内阻 (Ohm)
R2 = 0.5; % 接收端线圈内阻 (Ohm)
RL = 10; % 负载电阻 (Ohm)
% 仿真时间
t = 0:1e-6:1e-3;
% 激励源电压
Vs = 20 * sin(2 * pi * 100e3 * t);
% 发射端电路电流计算
Z1 = R1 + 1j * 2 * pi * 100e3 * L1 - 1j / (2 * pi * 100e3 * C1);
Z2 = R2 + 1j * 2 * pi * 100e3 * L2 - 1j / (2 * pi * 100e3 * C2) + RL;
I1 = Vs ./ (Z1 + (1j * 2 * pi * 100e3 * M)^2 / Z2);
I2 = (1j * 2 * pi * 100e3 * M * I1) ./ Z2;
% 结果可视化
figure;
subplot(2,1,1);
plot(t, real(I1), 'r');
title('发射端电流波形');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('电流 (A)');
subplot(2,1,2);
plot(t, real(I2), 'b');
title('接收端电流波形');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('电流 (A)');
grid on;
参考文献
Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J. D., Fisher, P., & Soljačić, M. (2007). Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 317(5834), 83-86.
Covic, G. A., & Boys, J. T. (2013). Modern trends in inductive power transfer for transportation applications. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 1(1), 28-41.
Wang, C. S., Stielau, O. H., & Covic, G. A. (2005). Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52(5), 1308-1314.
（文章内容仅供参考，具体效果以图片为准）