CN106250657B - 一种联合matlab和hfss软件的无线充电仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，首先基于耦合模理论建立线圈天线无线充电模型，再根据电路模型理论和对谐振式无线充电数学模型的分析确定线圈天线的参数，根据线圈天线的参数和谐振式无线充电数学模型获取线圈天线的实际装置参数和理论模型参数，通过MATLAB软件实现线圈天线无线充电模型，通过HFSS软件对线圈天线无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出仿真结果，所述仿真结果包括线圈天线参数、充电效率以及电磁场分布图。本发明方法借助MATLAB强大的数值计算和建模功能，采用HFSS对谐振式无线充电数学模型进行精准仿真，有效地优化无线充电仿真，为谐振式无线充电的市场需求奠定基础。

Description

一种联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电模型仿真方法，尤其涉及一种联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法。

背景技术

随着电子信息产业的蓬勃发展，便携式电子产品的耗电量越来越大。在电池本身技术短期内无法取得重大突破的前提下，无线充电技术成为一种可行且便利的解决方式。然而对无线充电技术进行硬件实验研究是艰难的，如电子设备与无线充电装置处于何种空间位置能够得到最佳充电效果等等。为了降低成本和减少失败率，研究员们往往会先进行无线充电技术的仿真。因此本专利主要针对无线充电技术的仿真。

MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化、以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为研究员们提供了一种全面的解决方案。

Ansoft HFSS是美国Ansoft公司开发的一款三维电磁仿真软件。它基于Windows图形用户界面进行任意无源三维器件的全波电磁仿真，易于学习，有立体建模、可视化、仿真分析、自动优化等功能，使得三维电磁设计问题能快速而准确地得到解决。

然而HFSS软件在设计中具有一定的局限性，如当需要建立复杂模型，模块化的对象时，就需要大量的重复性工作，容易消耗时间。

大多数设计者使用HFSS自带的3D建模功能，足以解决简单的模型创建，对象优化。然而当遇到一些比较复杂的设计对象时，如渐变缝隙天线、空间复杂的无线充电模型等等，设计者们往往无技巧可借鉴。

发明内容

发明目的：为了解决现有的仿真方法进行复杂无线充电模型仿真存在大量重复性工作的问题，本发明提供了一种联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，能够减少重复性工作，提高仿真效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明中联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，包括以下步骤：

(1)基于耦合模理论，根据谐振式无线充电数学模型的假设，建立线圈天线无线充电模型；

(2)根据电路模型理论，通过对谐振式无线充电数学模型的分析，确定线圈天线的参数；

(3)根据线圈天线的参数和谐振式无线充电数学模型获取线圈天线的实际装置参数和理论模型参数，通过MATLAB软件实现线圈天线无线充电模型；

(4)通过HFSS软件对线圈天线无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出仿真结果，所述仿真结果包括线圈天线参数、充电效率以及电磁场分布图。

其中，所述线圈天线无线充电模型为：

式中，e₁和e₂分别为发射线圈和接收线圈的模式正频率分量，ω₁和ω₂分别为发射线圈和接收线圈的谐振频率，τ₁、τ₂分别为发射线圈和接收线圈的损耗系数，τ_L为负载系数，s为电源对谐振系统的作用，k₁₂和k₂₁为耦合系数。

其中，通过MATLAB软件调用脚本程序设计线圈天线无线充电模型程序并运行生成vbs脚本包括以下步骤：

(1)设置无线充电仿真模型的路径；

(2)定义无线充电模型中的变量，所述变量包括：线圈的线圈半径r、线圈宽度w、线圈螺距s、线圈匝数n、两线圈之间的距离d、线圈的材料；

(3)根据所述变量建立线圈天线的模型；

(4)分配线圈天线的边界条件和激励；

(5)运行m文件，自动生成vbs脚本。

其中，通过HFSS软件对线圈天线无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出仿真结果，包括以下步骤：

(1)运行vbs脚本自动启动HFSS软件生成无线充电模型；

(2)设置无线充电模型的求解器参数，并运行仿真，所述求解器参数包括：线圈天线模型的分析频率、扫描范围、自适应网格剖分次数，以及收敛精度；

(3)对线圈天线无线充电模型进行优化设置；

(4)运行优化设置过的无线充电模型，得到最优仿真结果。

有益效果：本发明中联合MATLAB和HFSS软件的仿真方法，针对谐振式无线充电数学模型，基于HFSS仿真软件的精准仿真，进一步考虑复杂无线充电模型的强大数据处理，首先根据耦合模理论和电路模型理论建立线圈天线无线充电模型，然后应用MATLAB软件调用脚本设计无线充电模型，最后将MATLAB运行后生成的vbs脚本文件连接到HFSS软件，并对无线充电模型进行求解、优化、仿真。本发明方法借助MATLAB强大的数值计算和建模功能，克服HFSS无科学计算的缺点，采用三维电磁仿真软件HFSS的精准仿真功能对无线充电进行仿真分析，为无线充电市场的实际需求奠定基础。

附图说明

图1为本发明中联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法的流程图；

图2为谐振式无线充电数学模型的谐振线圈示意图；

图3为本发明所建立的线圈天线无线充电仿真模型图；

图4为本发明中利用MATLAB和HFSS软件求解无线充电仿真模型的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中，本发明中联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：基于耦合模理论，对谐振式无线充电数学模型提出假设，从而建立线圈天线无线充电模型；

磁耦合无线充电的耦合理论：两个谐振频率为ω₁和ω₂的线圈通过系统的一些微扰相耦合时，便可产生交变磁场，则这种变化可用下式描述：

式中，k₁₂和k₂₁为耦合系数；表示电路中的能量，e₁和e₂分别为与电源和负载相连的谐振线圈(发射线圈和接收线圈)的模式正频率分量。

假设系统中没有自身或者负载损耗，没有外界电源供电，则能量的变化率为零，由上式导出：

式中，|e|²＝e·e^*，e^*是e的共轭复数。因为e₁和e₂的初始幅度和相位可任意设定，故耦合系数必须满足k₁₂+k₂₁ ^*＝0，其中L₁和L₂分别为发射线圈和接收线圈的电感，M为两线圈之间的互感。

故利用耦合模公式，建立谐振式无线充电系统的数学模型如下：

其中τ₁、τ₂分别为发射线圈和接收线圈的损耗系数；τ_L为负载系数，表示负载消耗系统的有功功率；s为电源对谐振系统的作用。

该数学模型说明了谐振线圈自身的谐振状态以及两谐振线圈之间的耦合关系，应用该模型可求解传输过程中的物理量，如电压、电流、功率等。

步骤二：根据电路模型理论，通过对谐振式无线充电数学模型的分析，确定线圈天线的参数；

从几何形状看，线圈的种类繁多，如圆形线圈、方形线圈、环形线圈等。本发明采用密绕的圆柱单层螺旋线圈天线结构且两谐振线圈水平垂直放置，根据传输距离、功率的不同要求，采用不同尺寸的线圈。线圈天线的电感和等效电阻如下式：

式中，N为线圈匝数，r为线圈半径，μ₀是真空导磁率：μ₀＝4π×10^-7H/m，a为导线的截面半径，ω为线圈的谐振频率，σ是线圈导线的电导率，铜线20摄氏度时电导率为5.9×10⁷S/m。

根据线圈电流的载流能力(一般铜导线的安全载流量为5～8A/mm²)，确定线圈的实际装置参数，如线圈匝数、线圈半径和线圈导线线径(导线的截面半径)等，如线径越大电感越小，线圈自身电阻也越小，线圈电流则变大。

步骤三：根据线圈天线的参数和谐振式无线充电数学模型获取线圈天线的实际装置参数和理论模型参数，通过MATLAB软件调用脚本程序设计线圈天线无线充电模型程序并运行；

步骤四：运行步骤三运行后的vbs连接HFSS软件，通过HFSS软件对无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出线圈天线S参数、充电效率以及电磁场分布图等仿真结果。

如图2所示，谐振式无线充电数学模型包括电供应端和电接收端两部分，电供应端包含导线绕制并与电容并联的线圈(发射线圈)，以及为线圈提供电能的高频电源；电接收端位于电供应端一定距离范围内，包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈(接收线圈)，以及消耗线圈电磁能的负载；其中发射线圈和接收线圈均为无线充电模型中的谐振线圈。

如图3所示，本发明所建立的线圈天线无线充电仿真模型，模型的结构设置都是通过MATLAB软件调用脚本函数实现的，从上到下分别为负载线圈1、接收线圈2、发射线圈3、馈电源4，发射线圈3和馈电源4为能量发送天线，负载线圈1和接收线圈2为接收天线。图中发射线圈目的是将电源的能量以电磁波的形式耦合给接收线圈，并传输给设备对负载设备进行充电。谐振线圈(发射线圈和接收线圈)由螺旋导线构成，其线圈半径r为10mm、线圈宽度w为1mm、线圈螺距s为2mm、线圈匝数N为8、发射线圈与接收线圈的距离设置为d＝50mm。馈电源1为同轴电缆馈电，同轴电缆由外圆柱(半径为1mm、高度为4mm)和内圆柱(半径为0.5mm、高度为5mm)组成的中心空圆柱体。负载线圈1是一个开口的环形线圈，半径和谐振线圈相同，导线宽度也为1mm。馈电源4的同轴电缆上设置集总端口1，负载线圈1的环形开口处设置集总端口2，端口阻抗设置为50欧姆。

如需改变线圈天线中参数变量，只需在MATLAB中改变变量值即可，无需在HFSS软件中重新设置参数变量，避免一些重复性设置工作，增加了研究效率。

如图4所示，利用MATLAB和HFSS软件实现以及求解无线充电仿真模型具体包括以下步骤：

步骤S1-1：设置无线充电仿真模型的路径。在MATLAB调用HFSS程序中，路径设置不正确会导致HFSS无法被调用。正确的路径设置如下：

“D:Program FilesansoftHFSS14.0Win64hfss.exe”

步骤S1-2：定义无线充电模型中的变量。本发明中的谐振式无线充电数学模型为线圈天线模型，其中可定义的变量有：线圈的线圈半径r、线圈宽度w、线圈螺距s、线圈匝数n、两线圈之间的距离d、线圈的材料等。

步骤S1-3：建立线圈天线的模型。

步骤S1-4：分配线圈天线的边界条件和激励等。

线圈天线是一个辐射结构，理论上其边界应在无限远处，而HFSS仿真原理是利用有限元求解，在有限元求解中，把边界条件设置在无穷远处会严重影响到求解效率，故需要利用边界条件来代替无线大的自由空间。本发明中的线圈天线模型的边界条件为理想导体边界(PerfectE)，设置在线圈和基板上。PerfectE是一种理想电导体，也是HFSS软件中的默认边界，这种边界条件的电场垂直于物体的表面。辐射边界条件是边界条件中一种，辐射边界可以是任意形状并且靠近结构，但一般要距离模型四分之一波长，设置了辐射边界后可进一步计算与远区场相关的参数，如天线的增益、方向性等。本发明中对模型的外圆柱设置了辐射边界条件，代替了无限大的自由空间。

激励为在线圈天线模型或其表面上定义电磁场、电荷、电流或电压。本发明中所用到的激励有集总端口激励(Lumped Port)，集总端口类似于传统的波端口，但它可以定义在模型内部并可自定义复阻抗。

步骤S1-5：运行m文件，自动生成vbs脚本。

步骤S1-6：运行vbs脚本自动启动HFSS软件生成无线充电模型，如图3所示。

步骤S1-7：设置无线充电模型的求解器参数，并运行仿真。求解器参数主要为：线圈天线模型的分析频率(中心频率)、扫描范围、自适应网格剖分次数，以及收敛精度等参数。

步骤S1-8：对无线充电模型进行优化设置。不同结构的参数变量对模型性能的影响不同，如谐振线圈之间的距离、线圈的半径大小等。HFSS中的Optimetrics功能模块可以自动分析参数的变化对求解结果的影响。

步骤S1-9：运行优化设置过的无线充电模型，得到最优仿真结果。

本发明中主要用到了HFSS-MATLAB-API脚本，HFSS-MATLAB-API数据包中包含相应的MATLAB子函数文件，而MATLAB是一种具有解释性工作的语言，输入算式即可得到结果，并且具有较强的自我检错能力。该脚本利用MATLAB带有的工具箱，来控制HFSS软件中的接口，通过记录脚本，实现无线充电对象在HFSS软件中进行3D建模，设定求解参数等。剩下的工作则由HFSS软件完成，如对模型进行有限元法分析，求解对象。

现存脚本的函数库已经涵盖了足够全面的功能，为了便于读写，每个m文件都具有特定的功能。并且有详细的使用规则和参数定义方法：

(1)3D模型：模型模块主要包含基本的建模函数文件，如画立体图形的函数、画平面的函数、构造曲线模型的函数、一些模型连接，移动，材料设置的函数；

(2)分析类别：主要包括四个主要函数：生成必要的VB脚本、向HFSS工程中插入求解设置、对已存求解进行差值扫描设置、产生脚本来解决设置好的求解设置；

(3)边界设置：主要有5个边界设置方法可选择：产生VB脚本对特定对象进行集总端口设置、为对象设置边界条件、对封闭物体设置辐射条件、对面状模型设置波端口类型、创建圆面并同步完成波端口的类型设置；

(4)常规设置：增加新材料到HFSS材料库里、关闭正在处理的工程、产生脚本、对工程进行添加设计、创建新的工程、打开已经创建好的工程、产生VB脚本来保存现存的工程；

(5)其他功能：插入HFSS工程设计、改变已经存在的变量。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于耦合模理论，根据谐振式无线充电数学模型的假设，建立线圈天线无线充电模型；

(2)根据电路模型理论，通过对谐振式无线充电数学模型的分析，确定线圈天线的参数；

(3)根据线圈天线的参数和谐振式无线充电数学模型获取线圈天线的实际装置参数和理论模型参数，通过MATLAB软件实现线圈天线无线充电模型；其中，通过MATLAB软件实现线圈天线无线充电模型包括以下子步骤：

(3.1)设置无线充电仿真模型的路径；

(3.2)定义无线充电模型中的变量，所述变量包括：线圈的线圈半径r、线圈宽度w、线圈螺距s、线圈匝数n、两线圈之间的距离d、线圈的材料；

(3.3)根据所述变量建立线圈天线的模型；

(3.4)分配线圈天线的边界条件和激励；

(3.5)运行m文件，自动生成vbs脚本；

(4)通过HFSS软件对线圈天线无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出仿真结果，所述仿真结果包括线圈天线参数、充电效率以及电磁场分布图。

2.根据权利要求1所述的联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，其特征在于，所述线圈天线无线充电模型为：

式中，e₁和e₂分别为发射线圈和接收线圈的模式正频率分量，ω₁和ω₂分别为发射线圈和接收线圈的谐振频率，τ₁、τ₂分别为发射线圈和接收线圈的损耗系数，τ_L为负载系数，s为电源对谐振系统的作用，k₁₂和k₂₁为耦合系数。

3.根据权利要求1所述的联合MATLAB和HFSS软件的无线充电仿真方法，其特征在于，通过HFSS软件对线圈天线无线充电模型进行求解、优化、仿真，并输出仿真结果，包括以下步骤：

(1)运行vbs脚本自动启动HFSS软件生成无线充电模型；

(2)设置无线充电模型的求解器参数，并运行仿真，所述求解器参数包括：线圈天线模型的分析频率、扫描范围、自适应网格剖分次数，以及收敛精度；

(3)对线圈天线无线充电模型进行优化设置；

(4)运行优化设置过的无线充电模型，得到最优仿真结果。