Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2026
Идентификатор DOI: 10.52254/1857-0070.2026.3-71.03
Ключевые слова: wireless power transfer, Series-series compensation, skin effect, finite element analysis, comsol, matlab, weak coupling, electric vehicles, transferul de energie fără fir, compensarea serie-serie, efectul de piele, analiza cu elemente finite, cuplaj slab, vehicule electrice, беспроводная передача энергии, последовательно-последовательная компенсация, скин-эффект, метод конечных элементов, слабая магнитная связь, электромобили
Аннотация: Основной целью настоящего исследования является разработка комплексной методики выбора оптимальной резонансной частоты слабосвязанных систем беспроводной передачи энергии для зарядных комплексов электротранспорта с учётом симультанного воздействия скин-эффекта, эффекта близости и несинусоидального импульсного возбуждения. При этом Показать полностьюучитываются особенности работы преобразовательных устройств, формирующих импульсные напряжения, что приближает модель к реальным условиям эксплуатации. Для достижения поставленной цели разработана математическая модель, учитывающая частотную дисперсию сосредоточенных параметров и пространственное перераспределение плотности тока в плоских спиральных катушках. Выполнено численное моделирование методом конечных элементов с построением адаптивной сетки пограничного слоя с последующей схемотехнической косимуляцией. Систематически проанализировано совместное влияние рабочей частоты, коэффициента связи и топологии компенсирующей схемы на системную эффективность. Наиболее значимые результаты включают количественную характеристику изменения параметров плоских катушек в исследуемом частотном диапазоне, выявляющую монотонный рост активного сопротивления и снижение собственной индуктивности с увеличением частоты, при сохранении инвариантности коэффициента связи относительно частоты для фиксированной геометрической конфигурации. Нижняя граница эффективного частотного диапазона установлена на основе аналитического критерия качества связи, обеспечивающего высокий КПД канала передачи и общий КПД процесса заряда. Верифицирована фильтрующая способность топологии с последовательно-последовательной компенсацией, подтверждающая эффективное подавление высших гармонических составляющих при прямоугольной форме питающего напряжения. Значимость полученных результатов состоит в создании высокоточного расчётного инструментария, устанавливающего явную связь между геометрией элементов, динамикой скин-слоя и системной эффективностью. Это позволяет оптимизировать выходные характеристики WPT-систем без необходимости избыточного экранирования или искусственного усиления магнитной связи. Предложенная методология представляет собой надёжную основу для проектирования и оптимизации слабосвязанных систем беспроводной передачи энергии в реалистичных условиях эксплуатации. The main objective of this research is to develop a methodology for selecting the optimal resonant frequency of weakly coupled wireless power transfer systems for electric vehicle charging stations, accounting for skin effect, proximity effect, and non-sinusoidal excitation. A mathematical model considering frequency dispersion of lumped parameters and spatial current density redistribution in planar spiral coils was developed. Numerical simulations were performed using finite element analysis with adaptive boundary layer meshing, followed by circuit-level co-simulation. The combined influence of frequency, coupling coefficient, and compensation topology on system efficiency was systematically analyzed. The most significant results include quantitative characterization of parameter variation in planar coils across the frequency range, revealing monotonic increase in AC resistance and decrease in self-inductance with rising frequency, while the coupling coefficient remains invariant for a fixed geometry. A lower effective frequency boundary was established based on an analytical quality criterion, ensuring high link efficiency and overall charging efficiency. The filtering capability of the series-series compensation topology was verified, demonstrating effective suppression of higher harmonics under square-wave excitation. The significance of these results lies in the development of a computational toolkit that establishes an explicit relationship between coil geometry, skin-depth dynamics, and system efficiency. This enables optimization of output characteristics without excessive shielding or artificial enhancement of magnetic coupling. The proposed methodology provides a reliable framework for designing and optimizing weakly coupled wireless power transfer systems under realistic operating conditions. Obiectivul principal al acestei cercetări este dezvoltarea unei metodologii pentru selectarea frecvenței optime de rezonanță a sistemelor de transfer wireless de putere slab cuplate destinate stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice, ținând cont de efectul pelicular, efectul de proximitate și excitația nesinusoidală. A fost dezvoltat un model matematic care ia în considerare dispersia în frecvență a parametrilor grupați și redistribuirea spațială a densității curentului în bobinele spiralate planare. Simulările numerice au fost efectuate utilizând analiza cu elemente finite, cu discretizarea adaptivă a stratului limită, urmată de co-simularea la nivel de circuit. Influența combinată a frecvenței, a coeficientului de cuplare și a topologiei de compensare asupra eficienței sistemului a fost analizată sistematic. Cele mai semnificative rezultate includ caracterizarea cantitativă a variației parametrilor bobinelor planare pe întregul interval de frecvență, relevând o creștere monotonă a rezistenței în curent alternativ și o scădere a autoinductanței odată cu creșterea frecvenței, în timp ce coeficientul de cuplare rămâne invariant pentru o geometrie fixă. A fost stabilită o limită inferioară efectivă a frecvenței, pe baza unui criteriu analitic de calitate, care asigură o eficiență ridicată a legăturii și o eficiență generală sporită a încărcării. Capacitatea de filtrare a topologiei de compensare serie-serie a fost verificată, demonstrând suprimarea eficientă a armonicilor superioare în condiții de excitație cu undă pătrată. Semnificația acestor rezultate constă în dezvoltarea unui set de instrumente de calcul care stabilește o relație explicită între geometria bobinei, dinamica stratului superficial și eficiența sistemului. Acest lucru permite optimizarea caracteristicilor de ieșire fără a recurge la ecranare excesivă sau la îmbunătățirea artificială a cuplajului magnetic. Metodologia propusă oferă un cadru fiabil pentru proiectarea și optimizarea sistemelor de transfer wireless de putere slab cuplate în condiții reale de funcționare.
Журнал: Проблемы региональной энергетики
Выпуск журнала: №3
Номера страниц: 32-47
ISSN журнала: 18570070
Место издания: Кишинев
Издатель: Институт энергетики Молдовы