电动车无线电能传输register.ansys.com.cn/ansyschina/20151117aswc/... · 2015. 11. 20. · 无线充电系统仿真 0 0 0 r1 (1/87-0.004) ohm r2 (1/348-0.001) ohm cs 1.93uf

电动车无线电能传输

谭洪涛

ANSYS Inc

EV/HEV中无线充电应用

• 磁感应式

1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m

100%

50%

0%

Transfer Distance

Effi

cien

cy Resonance type

Inductive type(~15W) Inductive type(~50kW)

Ref: EE Times Japan 2009.10

ACPower

Inverter

Cable

Capacitor

Primary Coil

Secondary Coil

BatteryRectifier/Charger

电磁场

系统设计

汽车无线充电装置

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00H (A_per_meter)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

B (t

esla

)Maxwell静磁场分析

• 铁心饱和Core’s BH curve, Mag_B field plotNo magnetic saturation

Nonlinear BH curve 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00Current [A]

0.00

0.01

0.10

1.00

Gap

[met

er]

2D_Static_BHMutual Inductance L12 ANSOFT

Matrix1.L(C [nH]

0.0000e+000

5.7000e+003

1.1400e+004

1.7100e+004

2.2800e+004

2.8500e+004

3.4200e+004Specification Area

最大磁密分布在材料的线性区域，可将材料等效为线性磁性材料。

静态磁场分析

电抗：L, M耦合系数： k电磁场铁心饱和

Mag B

Coupling factor k – sliding gap

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00Sliding [mm]

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Mat

rix1.

Cpl

Coe

f(Cur

rent

_1,C

urre

nt_2

)

3D_Static_sliding_kCoupling - k ANSOFT

Curve InfoMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)

Setup1 : LastAdaptiveGap='50mm'

Matrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1 : LastAdaptiveGap='100mm'



铁心形状/材料线圈匝数电流大小气隙

涡流磁场分析

铁心形状/材料线圈匝数频率气隙屏蔽形状/材料

交流特性：电抗：L, M耦合系数： k磁场铁心磁滞效应屏蔽

屏蔽材料(Aluminum)

铁芯(Power Ferrite)

没有屏蔽有屏蔽

磁场分析：参数抽取

• L, M, k : 自感

互感

耦合系数

k=0.54

L1 MM L2

M

L1

L2

频域求解

涡流场求解器计算阻抗矩阵,同时包含电阻和电抗；

计算的电阻是交流电阻，包含直流分量+集肤效应和临近效应引起的附加电阻。

Maxwell参数化分析

无线充电系统仿真

0

0

0

R1

(1/87-0.004) ohm

R2

(1/348-0.001) ohm

Cs

1.93uF

Cp

5.24uF

Rload

10ohm

W+

WM1

W+

WM2

D4

D3

D2

D1

IGBT4

IGBT3

IGBT2

IGBT1

C1

1000uF

TRANS4

DT4

TRANS3

SINE1.VAL > TRIANG1.VAL

TRANS2

DT1

TRANS1

SINE1.VAL < TRIANG1.VAL

STATE_11_4

SET: TSV4:=0SET: TSV3:=0SET: TSV2:=0SET: TSV1:=0DEL: DT4##Dead_Time

STATE_11_3

SET: TSV4:=0SET: TSV3:=1SET: TSV2:=1SET: TSV1:=0

STATE_11_2


STATE_11_1


TRIANG1

AMPL=1FREQ=Carrier_Freq

SINE1

AMPL=Modulation_IndexFREQ=Frequency

ICA: FML_INIT1

Modulation_Index:=0Carrier_Freq:=10kFrequency:=10k

DC_Source:=200Dead_Time:=2u

~

3PHAS

~

~

A * sin (2 * pi * f * t + PHI + phi_u)

PHI = 0°

PHI = -120°

PHI = -240°

THREE_PHASE1D5

D6

D7

D8

D9

D10 Battery- +

LBATT_A1

D11

D12

D13

D14

C2

1e-006farad

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

Y1 [A

]

Curve Info rmsWM1.I

TR 9.4139

WM2.ITR 10.5939

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]

-300.00

-100.00

100.00

300.00

Y1 [V

]

Curve Info rmsWM1.V

TR 154.9045

WM2.VTR 120.2425

1.90 1.92 1.94 1.96 1.98 2.00Time [ms]

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

Y1 [A

]

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

Y2 [V

]

MX1: 1.9753MX2: 1.9783

-6.0797-1.2036-0.0090

131.1979

-0.51411.340627.9814

156.0455

0.0030

Curve Info Y Axis rmsWM1.I

TR Y1 9.3501

WM2.ITR Y1 10.5176

WM1.VTR Y2 153.6594

WM2.VTR Y2 119.4615

Current_1st_1:src

Current_1st_2:src

Current_2nd_1:src

Current_2nd_2:src

Current_1st_1:snk

Current_1st_2:snk

Current_2nd_1:snk

Current_2nd_2:snk

0

Rload

10ohm

Battery- +

LBATT_A1

D11

D12

D13

D14

C2

1e-006farad

AC200V Rectify InverterWireless Power Transformer Battery

Controller

控制电路和场路耦合

20kW @ 400V/20kHz

铁芯

线圈屏蔽板

副边线圈

原边线圈

降阶模型(ROM)

ROM在系统仿真中的应用

AC / 频域 TR / 时域

气隙偏移

仿真流程磁场求解器

+ 电路/系统仿真器

静磁场

涡流场电路/系统仿真

(AC / TR)阻抗模型

电路/驱动控制设计波形、效率、功率因数等

瞬态场

场分布、损耗

铁芯、绕组

效率Map图

输出功率/输入功率

计算每种工况下的耦合电容

90%

50%

20%

[%]100

cos

×=

=

in

out

PPVIP

η

θ

效率

[%]

偏移 [mm]气隙 [mm]

气隙偏移

Max.96%

设计优化: 比较不同方案之间

盘式线圈螺线管式线圈

效率随偏移大小的变化计算

同一个线圈间距

螺线管式线圈比盘式线圈效率更高

效率随线圈间距大小计算

无偏移

螺线管式线圈传输效率更高

Gap

ROM在系统级仿真的应用案例

AC400V Rectify InverterWireless Power Transformer Battery

Controller

0

0

0

R1

7.2mOhm

R2

3.6mOhm

Cs

1.72uF

Cp

4.96uF

Rload

13ohm

W

+WM1

W

+WM2

D4

D3

D2

D1

IGBT4

IGBT3

IGBT2

IGBT1

C1

1000uF

TRANS4

DT4

TRANS3


TRANS2

DT1

TRANS1


STATE_11_4


STATE_11_3


STATE_11_2


STATE_11_1


TRIANG1


SINE1


ICA: FML_INIT1



~

3PHAS

~

~


PHI = 0°

PHI = -120°

PHI = -240°

THREE_PHASE1D5

D6

D7

D8

D9

D10 Battery- +

LBATT_A1

D11

D12

D13

D14

C2

1uF

2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00Time [ms]

-150.00

-100.00

-50.00

0.00

50.00

100.00

150.00

Y1

[A]

Curve Info rmsWM1.I

TR 41.6165

WM2.ITR 34.8648

2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00Time [ms]

-800.00

-300.00

200.00

700.00

Y1

[V]

Curve Info rmsWM1.V

TR 281.0066

WM2.VTR 321.9453

2.900 2.925 2.950 2.975 3.000Time [ms]

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

Y1

[A]

-1000.00

-500.00

0.00

500.00

873.02

Y2

[V]

MX1: 2.9200MX2: 2.9811

-408.7847-315.0105-64.8250

-40.2840-377.1247-319.5653 -53.6971

-0.0037

0.0610


TR Y1 38.9542

WM2.ITR Y1 34.1140

WM1.VTR Y2 276.0822

WM2.VTR Y2 316.6292

PWRProbe

PWR_Probe1

Current_1:srcCurrent_2:src

Current_1:snkCurrent_2:snk

PWRProbe

PWR_Probe2

系统仿真结果返回磁场计算

磁密云图

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Distance [meter]

0.00

0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

Mag

_B [m

Tesl

a]

2D_EddyXY Plot 1 ANSOFT

Curve InfoMag_B

Setup1 : LastAdaptiveFreq='20kHz' Phase='0deg'

磁场强度

Distance

Distance

铁心磁滞效应计算

磁滞损耗

考虑介质损耗角

( )δµµµµ

tan1 jj−′=

′′−′=

Freq [kHz]Core1st_LossSetup1 : LastAdaptivePhase='0deg'

Core2nd_LossSetup1 : LastAdaptivePhase='0deg'

1 20.000000 0.909102 0.313144

3D_EddyCore Loss ANSOFT

Core loss[W]

Primary

Secondary

涡流损耗计算

关键技术: 阻抗边界条件

原边表面损耗副边表面损耗

Freq [kHz]Shield1st_LossSetup1 : LastAdaptivePhase='0deg'

Shield2nd_LossSetup1 : LastAdaptivePhase='0deg'

1 20.000000 22.938675 37.886583

3D_EddyShield Loss ANSOFT

屏蔽损耗[W]

电磁辐射: 近场→远场耦合

多物理场耦合: 电磁场 –温度场

案例: 停车时的无线充电研究

电磁

充电盘有铝罐杂物温度分布(Max. 25 degree)

ANSYS Workbench

Maxwell中线圈电导率随温度的变化

))22(*0039.01(1

−+=

Tempσ

损耗密度分布

铁芯损耗铜耗

Worbench耦合

简单的拖拽式操作电磁场和温度场双向耦合

温度分布

双向耦合计算温度

基于反馈的温度分布，Maxwell重新计算损耗；上述损耗反馈回到温度场中重新计算温度分布；经过多次迭代，直到温度分布区域稳定。

0

0

0

R1

(1/87-0.004) ohm

R2

(1/348-0.001) ohm

Cs

1.93uF

Cp

5.24uF

Rload

10ohm

W+

WM1

W+

WM2

D4

D3

D2

D1

IGBT4

IGBT3

IGBT2

IGBT1

C1

1000uF

TRANS4

DT4

TRANS3


TRANS2

DT1

TRANS1


STATE_11_4


STATE_11_3


STATE_11_2


STATE_11_1


TRIANG1


SINE1


ICA: FML_INIT1



~

3PHAS

~

~


PHI = 0°

PHI = -120°

PHI = -240°

THREE_PHASE1D5

D6

D7

D8

D9

D10 Battery- +

LBATT_A1

D11

D12

D13

D14

C2

1e-006farad

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

Y1

[A]

Curve Info rmsWM1.I

TR 9.4139

WM2.ITR 10.5939

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]

-300.00

-100.00

100.00

300.00

Y1

[V]

Curve Info rmsWM1.V

TR 154.9045

WM2.VTR 120.2425

1.90 1.92 1.94 1.96 1.98 2.00Time [ms]

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

Y1

[A]

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

Y2

[V]

MX1: 1.9753MX2: 1.9783

-6.0797-1.2036-0.0090

131.1979

-0.51411.340627.9814

156.0455

0.0030


TR Y1 9.3501

WM2.ITR Y1 10.5176

WM1.VTR Y2 153.6594

WM2.VTR Y2 119.4615

Current_1st_1:src

Current_1st_2:src

Current_2nd_1:src

Current_2nd_2:src

Current_1st_1:snk

Current_1st_2:snk

Current_2nd_1:snk

Current_2nd_2:snk

0

Rload

10ohm

Battery- +

LBATT_A1

D11

D12

D13

D14

C2

1e-006farad

结论

ANSYS电磁场和系统仿真耦合仿真技术可以轻松便捷地实现EV/HEV的无线充电设计；

ANSYS多域耦合仿真技术，可以解决无线充电设计中电磁场与温度场的双向耦合问题。

谢谢

Documents

电动车无线电能传输register.ansys.com.cn/ansyschina/20151117aswc/... · 2015. 11. 20. · 无线充电系统仿真 0 0 0 r1 (1/87-0.004) ohm r2 (1/348-0.001) ohm cs 1.93uf