面向磁耦合共振无线电能传输的散热方法.pdf

Telecom Power Technology 222 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15运营维护技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.071面向磁耦合共振无线电能传输的散热方法阎毓杰1，付 强2，李 巍2，王 楠1，王 宠1（1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430061；2.渤海造船厂集团有限公司，辽宁 葫芦岛 125004）摘要：磁耦合共振无线电能传输装置由供电单元、主控单元、输入功率调节单元、发射线圈、接收线圈以及负载组成。由于部分电子元件发热量大、结构紧凑使得装置热功耗增加。该背景下，提出一种用于磁耦合共振无线电能传输装置的散热方法，通过组合流散热和温差传导散热，自适应地将无线电能传输系统内部产生的热量有效转移至外部，以改善整体散热效果。关键词：磁耦合共振；对流散热；传导散热；温差片Heat Dissipation Methods for Magnetic Coupled Resonance Radio Energy TransmissionYAN Yujie1,FU Qiang2,LI Wei2,WANG Nan1,WANG Chong1(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430061,China;2.Bohai Shipyard Group Co.,Ltd.,Huludao 125004,China)Abstract:The magnetic coupling resonance radio energy transmission device consists of the power supply unit,the main control unit,the input power adjustment unit,the transmitting coil,the receiving coil,and the load.Due to the large heat of some electronic components and the compact structure,the thermal power consumption of the device increases.In this context,the article proposes a heat dissipation method for magnetic coupling synthetic resonance radio energy transmission devices.It can adapt the heat from the radio energy transmission system to the outside by combining the combination of flow heat dissipation and temperature difference heat dissipation.To achieve the good effect of overall heat dissipation.Keywords:magnetic coupling resonance;convection heat dissipation;conduction heat dissipation;thermosheet0 引 言一般情况下，设备的供电电源电缆十分冗杂，因此相关研究人员提出应用微波和电磁辐射技术开发无线电能传输方法。然而，电能传输的过程中会产生大量的热量，不利于电子元器件的正常工作，会降低系统的性能。在自然对流的一般情况下，于岩等人提出通过不同叠层结构印制电路板来散热，通过促进散热器内部空气持续流动，改善散热器散热效果1。由于散热器底层部分的空气流动性较差，会引起热量聚集。徐婷婷等人通过研究每个翅片的倾斜角度和各个翅片间的距离等变量，研制了一种新型树叶形翅片的散热器，通过改变器件的布置方式、风机位置以及增加额外附属设备等手段，完善散热功能2。付鹏等人研究发现冷却空气集中是热量不能及时散发的一个原因，而将冷却的空气均匀分布于散热器翅片中，可以增强散热器的散热能力，因此提出在设备中引用导风板3。结果表明，引用导风板后，热源温度最高降低了 21。张建新等人考虑功率变换器的肋片方向可能影响散热效果，然后通过实验证明了肋片朝上放置时功率变换器的温度升高跨度和梯度最小4。针对磁耦合共振无线电传输应用的散热方法，文章提出采用对流散热和温差发电传导散热组合的方式，达到有效散热的目的。通过加装风扇，增强空气对流散热能力；通过加装温差取电片，实现热量的传导转移。仿真测试表明，该组合式方法散热效率高，能够自适应地快速降低磁耦合共振无线电传输装置的发热情况。1 基于温差取电的传导散热方法设计针对磁耦合共振无线电能传输，设计基于温差取电的传导散热方法。该方法的硬件构成主要包括温差发电模块和能源管理模块。基于温差取电的传导散热方法原理，如图 1 所示。温差发电片电压转换器超级 电容3稳压器散热电阻12开关564图 1 基于温差取电的传导散热方法原理收稿日期：2023-05-17作者简介：阎毓杰（1979），男，湖北武汉人，高级工程师，主要研究方向为电子通信、传感器。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 223 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 阎毓杰，等：面向磁耦合共振无线电能传输的散热方法温差发电模块包括电性连接的温差发电片和电压转换器；储能模块包括超级电容、稳压器、开关以及散热电阻。超级电容和稳压器串联后与电压转换器进行电性连接，开关和散热电阻串联后与超级电容并联。使用散热系统时，将温差发电片的高温面与磁耦合共振无线电能传输装置内部的电路板接触，温差发电片的低温面与空气接触。散热电阻设置在磁耦合共振无线电能传输装置的外部。设计由 K 个温差片串联构成一组温差发电单元，以改善传导散热效果，同时将多组串联的温差片进行并联组合，以扩大散热面积。分析可知温差单元回路中产生的温差电动势 U 为 U=(Th-Tc)（1）式中：为半导体材料的塞贝克系数；Th为测量端温度；Tc为参比端温度。该电动势作用到温差发电片内阻 r 和负载电阻RL上，形成回路。经过电路分析可以得到输出电压Uo、输出电流 I 和输出功率 Po外界耗散的能量，分别为 ()LhcLoLLRTTRUURrRr=+（2）()()()LhcLoLLhcLL22Lhcoo2LRTTRUURrRrTTUIRrRr=+（3）()()22Lhcoo2LRTTPU IRr=+（4）该散热系统运行过程中，温差发电片和电压转换器将磁耦合共振无线电能传输装置内部电路板上产生的热能转化为电能，并存储于超级电容内，实现热能向电能的转化5。需要对超级电容放电时，先闭合开关，使散热电阻与超级电容并联，再由散热电阻将超级电容存储的电能转化为热能释放到磁耦合共振无线电能传输装置的外部，从而达到有效散热的 目的6。2 对流散热与传导散热的组合式方法基于温差取电的传导散热方法设计对流散热，得出了对流散热与传导散热的组合式方法。对流散热与传导散热的组合式方案原理如图 2 所示。该组合式方法的硬件主要包括温差发电片、电压转换器、超级电容、稳压器、电子开关、散热电阻、单片机、电压传感器、温度传感器、显示器以及风扇7-8。为加快空气与散热电阻的换热速度，在磁耦合共振无线电传输装置上加装风扇，将空气吹扫至散热电阻。将单片机与风扇启停控制信号线连接，用于控制风扇开启或者关闭。单片机实时检测电压传感器采集的超级电容 2 端的电压，一旦检测到超级电容 2 端的电压达到预设的电压阈值，就立即控制风扇开启对流散热模式，同时闭合电子开关，使散热电阻与超级电容并联，将超级电容存储的电能通过散热电阻转化为热能释放到外面，实现自适应地快速降低磁耦合共振无线电传输装置温度9。对于加装风扇的强迫风冷方式，风扇的位置及空气的流动状况会影响散热效果10。磁耦合共振无线电能传输装置中，风扇位于后面板两侧，风道为直通道，中间部位通风率较低。增加 2 块挡风板，并去除部分散热器翅片，可使中间部位风道中的空气更好地流通，从而提高系统的散热性能11。实际情况中，由于存在风阻，风扇工作点的风量值小于风扇最大风量值。选择风扇时，风扇的最大风量值一般取计算所得风量值的 2 倍以上。3 仿真分析通过分析散热系统的流场，优化散热风扇出风角，提高散热效率。对于磁耦合共振无线电能传输装置中电路板处位置采集的温度数值，如图 3 所示。分别对加装风扇的对流散热方法、温差取电的传导散热方法以及加装风扇的对流散热+温差取电的传导散热2种方法组合方案的散热效果进行了定量仿真分析12。温度传感器单片机电压传感器电子开关风扇温差取电传导散热部分超级电容稳压器散热电阻显示器图 2 对流散热与传导散热的组合式方案原理 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 224 由图 3 可知，组合方法能够实现自适应散热降温，且效果性能比加装风扇的对流散热方法、温差取电的传导散热方法更佳。时间/min45403530252015105加装风扇的对流散热温差取电传导散热组合式散热10749638521温度/图 3 装置内部温度4 结 论磁耦合共振无线电能传输装置对散热设计有着较高的要求，考虑各模块装配空间有限和灰尘、水气影响，封装的装置使得散热环境出现恶化。基于该背景，建立了适用于磁耦合共振无线电能传输应用的散热方法，通过加装风扇，加强空气的对流散热；通过加装温差取电片，实现了热量的传导转移，达到快速降温的目的。仿真测试表明，采取单一的散热方法（加风扇、温差取电散热）对降温有一定的效果，而采用组合式散热方法效率更高，能够自适应地快速降低磁耦合共振无线电传输装置的发热 情况。参考文献：1 于 岩，朱彦俊，王守绪，等.不同叠层结构印制电路板散热性能研究 J.电子元件与材料，2014，33（1）：43-47.2 徐婷婷，吴玉庭，马重芳.不同环境中翅片散热器性能的仿真研究J.电子器件，2009，32（4）：850-854.3 付 鹏，文 午，李玉梅.一种新型储能电源通风散热结构及方法的研究 J.技术与市场，2020，27（8）：33-34.4 张建新，杨庆新，牛萍娟，等.LED 板状肋片散热器性能的方向效应 J.发光学报，2015，36（7）：846-853.5 叶 博.基于磁耦合谐振式无线电能传输装置设计 J.电脑迷，2019（1）：135.6 夏侯国伟，王 当，刘业鹏.IGBT 功率模块冷却技术的综述 J.昆明理工大学学报（自然科学版），2017，42（1）：69-73.7 李广义，张俊洪，高键鑫.大功率电力电子器件散热研究综述 J.兵器装备工程学报，2020，41（11）：8-14.8 沈英东.大功率 LED 三维相变热沉设计及优化 D.成都：电子科技大学，2018.9 胡锦炎.固液相变储能热沉的理论与实验研究 D.武汉：华中科技大学，2017.10 张忠海.电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计 J.电子机械工程，2005（3）：18-21.11 盛 重，陈晓青.功放芯片热分析及散热片结 构 优 化 J.电 子 与 封 装，2015，15（2）：44-48.12 孙 艳.Icepak 软件在加固计算机热设计中的应用 J.计算机技术与发展，2013，23（3）：215-217.