WIRELESS CHARGING DEVICE MODEL DEVELOPED IN THE SIMINTECH PROGRAMME

Технология беспроводного заряда применима для многих видов электрооборудования, начиная от маломощных бытовых приборов до промышленных потребителей

Наиболее широкое распространение получили БЗУ, построенные на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи благодаря большей безопасности по сравнению с использованием электромагнитного излучения радиочастотного или микроволнового диапазона

Рисунок 1 - Функциональная схема системы беспроводной передачи энергии

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.1

Цель данного исследования — повысить эффективность проектирования БЗУ путем разработки в SimInTech динамической модели, реалистично отражающей переходные процессы и потери в системе. 

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 

- создание базовой модели в SimInTech для упрощенного представления БЗУ; 

- верификация модели путем сопоставления с опубликованными экспериментальными данными;

- анализ влияния рабочей частоты на коэффициент полезного действия (КПД) БЗУ;

- разработка усовершенствованной модели, включающей характеристики транзисторных ключей (ВАХ);

- оценка воздействия характеристик транзисторных ключей на общий КПД БЗУ.

Рост потребности в различных БЗУ актуализирует работы по их проектированию. В процессе эксплуатации БЗУ часто требуется анализ возможностей их применения в конкретных условиях. Для решения таких задач целесообразно развивать компьютерное моделирование БЗУ. Моделирование в программных комплексах получило широкое распространение при разработке электротехнических устройств

Работа БЗУ строится на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи между стационарно размещаемой передающей катушкой и подвижной приемной катушкой. Передающая и приемная катушки входят в индуктивно-емкостную компенсационную цепь резонансного контура, на который подается напряжение с помощью специального высокочастотного инвертора. Создаваемое передающей катушкой высокочастотное магнитное поле наводит напряжение в приемной катушке, которое через силовой преобразователь постоянного тока передается в цепь заряда аккумулятора

Эквивалентная схема замещения моделируемого БЗУ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения БЗУ

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.2

На рисунке 3 представлена упрощенная модель БЗУ, разработанная в программе SimInTech.

Рисунок 3 - Упрощенная модель БЗУ в SimInTech:

а – динамическая модель силовой части; б – окно настройки свойств блока ЩИМ; в – субмодель блока ШИМ

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.3

Полупроводниковые элементы инвертора представлены идеальными ключами. Выпрямитель в модели является идеальным, поэтому напряжение цепи постоянного тока будет неизменным. Однако разработанная модель учитывает высокочастотный инвертор и выпрямитель в цепи заряда. Управление процессом беспроводной передачи энергии выполняется с заданной частотой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Реализация ШИМ представлена в виде субмодели (рисунок 3б), в качестве параметров которой выступает частота и скважность сигнала.

С целью повышения КПД установки из-за пульсаций напряжения в схему был добавлен сглаживающий фильтр. Сглаживание напряжения в цепи заряда приводит к увеличению действующего значения напряжения, и, следовательно, к росту полезной мощности. При моделировании сглаживающий фильтр был представлен емкостью

где 

Коэффициент сглаживания пульсаций рассчитывается по формуле 2: 

где 

Сопротивление нагрузки рассчитывается как отношение напряжение заряда к току заряда.

Представленная упрощенная модель не учитывает форму ВАХ транзисторов инвертора, а именно падение напряжения в прямом направлении, сопротивление транзисторов, ток утечки закрытого транзистора и аналогичные характеристики обратных диодов. Перечисленные факторы могут оказать влияние на потери мощности в системе и снизить ее КПД. Для учета влияния характеристик транзисторов на работу беспроводного зарядного устройства собрана модель инвертора на базе элементов «полупроводниковый безынерционный элемент» с типом ВАХ IGBT+диод. Модель инвертора реализована в виде субмодели «инвертор ВЧ», приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Субмодель «инвертор_ВЧ»:

а – субмодель блока «инвертор_ВЧ»; б – окно настройки параметров блока «инвертор_ВЧ»

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.4

Для удобства параметры транзисторов (падения напряжения и сопротивление) в прямом направлении и аналогичные параметры диодов задаются через свойства субмодели.

Для проверки адекватности разработанной модели сравнивались результаты моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторном образце и представленных в работе

Рисунок 5 - Экспериментальные осциллограммы напряжений:

а – uL1 и uC1; б – uL2 и uC2; в – uC1 и uC2

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.5

Моделирование средствами SimInTech проводилось для схемы замещения с теми же параметрами и при той же частоте и скважности сигналов. Осциллограммы напряжений, полученных в результате моделирования, показаны на рисунке 6. Обозначения напряжений аналогичны рисунку 5.

Рисунок 6 - Результаты моделирования в SimInTech:

а – uL1 и uC1; б – uL2 и uC2; в – uC1 и uC2

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.6

Сравнение результатов, полученных в работе

[9]

, с результатами моделирования показало не только качественное совпадение результатов, но и незначительное расхождение мгновенных значений. Таким образом, можно сделать вывод об адекватности разработанной динамической модели беспроводного зарядного устройства в SimInTech.

После оценки адекватность модели было исследовано влияние задаваемой скважности на мощность заряда аккумулятора. Сравнивались результаты моделирования с разной скважностью, а также с фильтром и без фильтра. Результаты сравнения приведены в таблице 1.

Как видно из результатов моделирования, изменение скважности влияет на мощность заряда аккумулятора, а, следовательно, и на КПД установки. Максимальный КПД наблюдается при скважности 0,5.

В работе также было проведено сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования в различном частотном диапазоне. Сравнивался полученный на модели КПД системы с данными, приведенными в

По результатам моделирования была построена зависимость КПД от частоты. Зависимость для сравнения была графически совмещена с экспериментальными данными. Совмещенная диаграмма приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость КПД от частоты

Примечание: 1 – идеальная модель; 2 – модель с учетом скин-эффекта; 3 – эксперимент; 4 – эксперимент с коррекцией потерь; 5 – разработанная модель

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.8

На рисунке 7 кроме экспериментальных данных приведены также данные идеальной модели, модели с учетом скин-эффекта и экспериментальные данные без учета потерь в трансформаторе, транзисторах и диодах.

Как следует из рисунка 7 форма зависимости совпадает с экспериментальными данными, но смещена вправо и вверх. Наибольшее совпадение результатов наблюдается в области 92-100 кГц, что соответствует окрестности резонансной частоты. Следует отметить, что в указанной области результаты обладают соизмеримой точностью с моделью разработанной автором работы

Моделирование также показало, что при частоте инвертора 92 кГц потери в инверторе снижают КПД установки примерно на 1%.

Рассмотренная выше модель не учитывает потери в трансформаторе, диодах выпрямителя, а также пульсации выпрямленного напряжения, однако, учитывая многократную разницу в частотах пульсаций выпрямленного напряжения и инвертора, можно предположить, что пульсации выпрямленного напряжения могут привести к медленным колебаниям напряжения и тока заряда, а, следовательно, и КПД системы. Учет потерь в трансформаторе требует моделирование хотя бы 0,04–0,06 секунды, а учитывая, что инвертор имеет частоту порядка 90–100 кГц, данный интервал соответствует минимум 72–100 тысячам шагов интегрирования.

Ввиду сложности динамической модели расчет занимает порядка 30 минут и возможны нестабильные решения из-за большого количества коммутаций, что эквивалентно разрыву функций. Поэтому составление модели с учетом трансформатора и выпрямительного звена не является рациональным.

В работе представлено решение актуальной инженерной задачи, позволяющей облегчить проектирование беспроводного зарядного устройства, а именно разработка динамической модели, описывающей переходные процессы и позволяющей определить КПД системы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

– разработана упрощенная модель беспроводного зарядного устройства в SimInTech, учитывающая процессы в инверторе и в выпрямителе находящимся в цепи заряда;

– сравнение результатов моделирования динамических процессов в беспроводном зарядном устройстве уменьшенного макета электровоза с экспериментальными данными, полученными в работах других авторах, показало высокую степень сходимости результатов моделирования с экспериментом. Максимальное расхождение составляет не более 5%;

– зависимость КПД от частоты для разработанной модели имеет форму близкую к полученной по экспериментальным данным, но смещена вправо и вверх. Наибольшее совпадение результатов наблюдается в области 92–100 кГц, что соответствует окрестности резонансной частоты. Стоит отметить, что в указанной области результаты обладают соизмеримой точностью с моделями других авторов;

– построена уточненная модель, учитывающая вольт-амперные характеристики транзисторных ключей инвертора. Модель инвертора реализована в субмодели, а в ее свойствах задаются основные параметры полупроводниковых элементов;

– моделирование беспроводного зарядного устройства с учетом влияния вольт-амперных характеристик транзисторных ключей при различных их параметрах показало увеличение потерь энергии до 1,5%.