高校优秀案例巡礼

过去几年，同元软控以竞赛活动为切入点，依托系统建模仿真技术的普及与深度应用，持续为高校人才培养注入动力。而在 “以赛促学、以赛育人” 的探索中，如何让丰富的实践经验跳出零散的案例框架，真正转化为可沉淀、可传承的学术成果？这正是我们打造系列内容的核心初衷。
“MoHub 高校开源案例” 系列所有内容均源自真实的高校案例，既能为同学们提供优质的学习素材，也能为高校教育工作者与相关实践者提供切实可行的借鉴方向。在此向将案例开源共享的师生团队致以诚挚的感谢！
本次介绍的 “无线充电与热管理集成系统” 项目，获得了第十六届蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛专项赛——智能装备数字化建模大赛三等奖。本文在参赛作品基础之上做了优化，优化后的模型已经开源至MoHub“众创共享”专区。

获奖团队

学校：东北林业大学
指导老师：李振杰、袁得春
团队成员：李先震、魏修欢、张玉松、神培博

01 对象介绍

无线电能传输作为一种非接触式供电技术，广泛应用于电动汽车、可穿戴设备及医疗植入设备等领域。当前磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借其高效率、大功率和实现简单等优势，已成为主流方案。
该技术通过谐振补偿与能量转换，在固定的发射端与移动的接收端之间建立电磁耦合，实现能量的高效传输，并最终存储于接收端电池中。
本案例将无线电能传输、闭环控制与热管理集成为一体，采用PID控制设计一套无线充电温控系统，旨在提升无线充电效率、稳定性与安全性。系统主要由电路拓扑、热管理系统与控制模块三部分构成，结合谐振网络、高频激励磁场及闭环控制，实现电能从发射端向接收端的稳定传输，并通过热监测与调节保障系统可靠运行。

02 难点分析

无线充电系统及热路模型数字化设计的主要挑战包括：

2.1 谐振电路灵敏度过高

对元件参数（如电感、电容）的微小变化或负载波动高度敏感，易导致谐振频率偏移，影响系统稳定性与效率。

2.2 输入输出增益不可调节

补偿拓扑增益特性固定，无法动态适应负载变化或输入电压波动，限制了系统在不同工况下的性能优化能力。

2.3 充电特性动态变化

电池参数随充电进程持续演变，需动态调整控制策略以匹配其状态，确保恒流/恒压输出稳定。

2.4 高温运行影响系统可靠性

无线充电系统磁耦合机构长时间工作在高温下会导致部件膨胀、变形，甚至破裂。

03 解决方案

为有效应对上述挑战，采用MWORKS平台对无线充电温控系统进行建模与仿真，整合电磁传输、闭环控制和热管理功能，实现一体化设计与优化。具体建模内容见表1所示：

表1 无线充电温控系统模型建模内容

表2 无线充电温控系统模型库列表

采用以上模型库后，最终实现电气-控制-热耦合的系统级仿真模型。系统结构如图2所示，集成了高频逆变器、LCC-S补偿网络、闭环控制器及热管理模块。

3.1 无线电能传输系统

无线充电系统由于耦合系数和负载的变化，负载端面临着输出电压和电流不稳定，能量传输效率波动较大等问题。需要重新设计无线电能传输系统，MWORKS提供了新方案。

采用TYElectrical库，在Sysplorer中搭建无线充电系统电路图如下。

无线电能传输系统包括发射侧的高频逆变器、用于谐振补偿的LCC-S网络，以及接收侧的整流电路。以200V直流源作为系统输入，通过Buck电路，实现电压的降压和稳压功能，为后续电路提供合适的电压等级。

3.2 控制系统

在无线充电系统中，通过PID控制的Buck电路实现负载端的恒流/恒压输出，本设计主要依赖于精确的反馈控制和调节机制。PID 控制结构图如图5所示。

无线充电控制系统使用PID 闭环控制，恒压和恒流的控制策略流程如下：

• 传感器实时采集电压/电流；
• 与设定值对比，计算误差；
• 经PID控制器调节输出占空比控制Buck电路；
• 实现前馈+反馈调节，提升响应速度与稳定性。

3.3 热管理系统

无线充电与热管理系统研究通过Syslab拟合电流与铁芯损耗关系，利用Sysplorer构建电磁-热多物理场耦合仿真，并通过Ansys有限元仿真获取电流与损耗功率，为热管理优化提供支持。主要有以下两点：

① 电流-损耗拟合建模

利用 Syslab 对 Ansys Maxwell 中铁芯损耗仿真数据进行拟合，获得电流-损耗数学模型；

② 耦合热网络仿真

在Sysplorer中构建热路模型，包含热传导、热对流和热辐射三种传热方式，获取温度分布与热点温度。

04 结果分析

针对该系统仿真模型，设置两个仿真工况进行系统分析和验证，为了全面的衡量无线充电系统恒流恒压输出及热管理的性能与特性，选取以下关键的评估指标进行评估，这些指标涵盖了其功能表现，稳定性以及检测灵敏度等多方面因素，对该仿真系统进行全面的评估。

表3 评估指标列表

4.1 工况1：恒流充电状态

• 输出电流纹波 < 0.02A；
• 超调量 < 20%；
• 调节时间 < 0.05 秒；
• 热响应快速，最高温度出现在发射端线圈，低于材料设定限制（65℃）；

4.2 工况2：恒压充电状态

• 输出电压纹波 < 0.2V；
• 超调量 < 20%；
• 调节时间 < 0.05 秒；
• 热管理系统表现一致，满足安全性与稳定性要求。

05 总结

通过使用MWORKS平台中Sysplorer、Syslab以及电气、热商业库模型进行无线充电与热管理集成系统建模，可以实现：

• 建立无线充电系统模型，分析评估系统的性能，避免复杂拓扑结构对开发时间和成本的影响；
• 通过PID闭环控制优化方法，精确控制负载端电池恒流、恒压充电，有效降低参数漂移对效率的影响，提升无线充电系统的稳定性和传输效率。
• 通过Syslab和Sysplorer构建了电磁-热多物理场耦合仿真系统，对磁耦合机构的热点温度进行实时监测，确保系统在安全的温度范围内工作。

资源链接

无线充电与热管理集成系统