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[解析事例] ワイヤレス給電システムの給電量と効率の負荷抵抗依存性(LFMF/System Simulation)

ソルバー
LFMF / System Simulation
解析対象
自動車

ワイヤレス給電の詳細な負荷抵抗依存性を解析により評価

EV向けワイヤレス給電は、85kHz帯が給電システムの周波数帯として決定されて以降、さらに実用化に向けた試験が盛んに行われています。
特に給電量や給電効率は、狙った周波数帯において最大となることが要求されるため、環境に応じた最適なワイヤレス給電システムの開発が必要になります。

概要

ワイヤレス給電システムの給電量と給電効率は、送受信コイルの配置だけでなく、受信コイルの負荷抵抗(給電される対象が有する負荷)にも強く依存します。
本事例では、EMC-StudioのLFMFソルバーを利用した等価回路解析により、負荷への出力を効率を精度よく効率的に求められることを解析手順の概略を含めて紹介します。

送受信コイルの自己インダクタンスと相互インダクタンスの解析

等価回路解析では、予め解析に必要な送受信コイルの自己/相互インダクタンスの値を知る必要があります。これらの値は端子の開放試験/短絡試験に相当する解析をLFMFソルバーで行って得られます。開放試験解析では、送信側(受信側)に電源、受信側に高抵抗(本事例では1MΩ)を設定して送信側(受信側)の自己インダクタンスを求めます。短絡試験では、送信側に電源、受信側を短絡して求まる漏れインダクタンスから、相互インダクタンスを求めます。

図1 解析モデルのメッシュ図

図2 ワイヤレス給電モデルの等価回路

等価回路解析と解析の妥当性の確認

等価回路解析では、求められたインダクタンスと共振コンデンサ、負荷抵抗などから図2の等価回路に相当する回路を解析することで、負荷抵抗における出力(給電量)と効率を求めることができます。また等価回路解析の妥当性を確認するために、図2の共振回路に相当する解析モデルをLFMFソルバーで直接解析した結果を等価回路解析の結果に重ねて表示しました(図3)。本事例では等価回路解析が非常に有効であることが分かります。

図3 図3 等価回路解析の妥当性の確認

図4 図4 放射電力分布の比較

給電量と給電効率の負荷抵抗依存性

図5~図7に負荷抵抗を10Ω、100Ω、1kΩと変えたときの給電量と効率の結果を示します。85kHzと相互インダクタンスによる85kHzから上下にシフトした共振点において効率が極大となります。負荷抵抗が10Ω,100Ωでは、給電量が極大となるのは85kHzからシフトした共振点であるのに対して、1kΩでは85kHzに収斂します。周波数85kHzを挟む上下の効率の極大位置も負荷抵抗によりシフトしています。

図3 図5 負荷抵抗10Ω時の給電量と効率

図4 図6 負荷抵抗100Ω時の給電量と効率

図4 図7 負荷抵抗1kΩ時の給電量と効率

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