非厄米物理启发的高效无线电能传输

无线电能传输技术是指不需要线缆或者波导结构,利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术。作为能量传输的一种全新方式,无线电能传输技术可以极大地提高供电设备的安全性、可靠性和便捷性,其在消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度供能的场景中具有重要的应用价值。目前无线电能传输技术仍存在一定的局限性,特别是对于广为关注的磁共振耦合无线电能传输技术,面临着高效率和稳定性难以兼顾的巨大挑战。文章以近场无线电能传输技术为研究框架,深入介绍非厄米新物理在无线电能传输系统中的调控机理,及其在高效、稳定、待机功率损耗、电磁环境兼容等方面的突出优势,最后对无线电能传输未来的研究方向进行了展望。

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。

基于电场耦合的电能信号并行传输系统串扰抑制方法

针对较大功率电场耦合无线电能传输系统信号双向高速传输的需求,该文提出一种基于部分能量通道的电能与信号并行传输系统的串扰抑制方法。通过对所提出的系统拓扑进行分析,给出了电能传输增益表达式与电能串扰增益表达式,并分析了阻波电路参数变化对电能串扰增益的影响;基于交流阻抗法及香农定理分别给出了信号传输增益及信道容量表达式,分析了信号支路参数对信道容量的影响;在综合考虑信号传输增益、信道容量及阻波电路参数敏感性的情况下,给出系统信号支路参数的设计方法。该方法能保证系统在较大功率下降低电能串扰,保障信号稳定传输,实现信号的双向高速传输。通过仿真与实验验证了所提出的拓扑和参数设计方法的有效性。搭建的实验装置实现了传输530.4 W的电能,23.28 Mbit/s信号正向传输速度和24.2428 Mbit/s信号反向传输速度。

基于互感稳定性提升的电动汽车无线充电研究

针对采用磁耦合谐振式无线电能传输技术的动态电动汽车无线充电过程中,汽车底部的能量接收线圈在直线行驶和转弯过程中发生的互感跌落、互感波动率增大的问题,提出一种源自BP(Bipolar Pad)线圈结构的改良式接收线圈,从而达到平稳接收互感,增强无线传输过程中稳定性的目的。该改良式线圈通过双线圈分别贴合轨道内外径的方式解决了传统BP线圈因解耦而造成的正对耦合有效面积的减少,并利用Ansys/Maxwell软件进行仿真寻优,得到补偿线圈的合理设计位置及相对大小。实验数据表明,无论在汽车转弯还是直线行驶过程中,新型接收线圈均可以在一定程度上抑制互感波动,增强接收互感数值。互感波动率优化峰值为5.1%,互感接收情况较传统BP线圈最大提升28.7%。

同轴多层筒式空心线圈自感和互感解析计算方法

在电磁耦合的无线电能传输系统中,准确获取线圈电感参数是设计和优化无线电能传输系统的重要理论依据。现有的无线电能传输系统研究大多针对平面板结构线圈,同轴多层筒式空心线圈相比于平面板线圈具有更高的传输功率和传输效率。因此,该文针对同轴多层筒式空心线圈,提出了一种考虑高频涡流效应的自感和互感解析计算方法。首先,将单匝线圈截面离散等效为数量众多、形状相同的网格带电圆环单元,采用离散等效求和法推导出单匝线圈的自感和线圈间互感的解析式;然后,基于筒式空心线圈的整体结构以及考虑高频涡流效应,推导出基于第一类、第二类完全椭圆积分和开尔文函数的一、二次线圈自感和总互感计算的理论解析式;最后,以两种不同排布方式的筒式空心线圈为例,对比解析计算、有限元计算和实验测量结果,验证了所提解析法的可行性,同时也为筒式空心线圈的设计提供参考依据。

基于多绕组变压器的高压无线充电自由定位系统

针对电动车辆无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统存在的半导体性能有限和定位困难的问题,提出了一种多对一高压无线充电自由定位系统。该系统采用逆变器串联输入的设计来适应高压应用场景,同时利用多绕组变压器实现逆变器的等效并联输出和向多路发射回路传输电能的功能,并采用了多对一的设计以扩大电动车的定位范围以实现无线充电的自由定位功能。为分析多绕组变压器的工作机理和研究多对一拓扑的能量传输特性,进行了等效电路分析和MATLAB仿真,并制作实验室原型样机进行了实验验证。基于实验和仿真结果,提出了一种基于多对一WPT拓扑的混合工作模式,可以有效地扩大电动车辆无线充电时的定位范围。研究和分析表明,文中所提出的拓扑结构可以有效地提高系统的输入电压以应用于高压场景,并能有效扩大电动车辆无线充电时的定位范围以实现自由定位。

基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法研究

针对无线电能传输系统中能量发送端与接收端进行全双工通信的需求,提出一种基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法。利用能量耦合线圈的内侧和外侧部分线圈分别作为信号正反向传输耦合机构,并在信号接收回路中采用LC并联支路抑制同侧信号载波的串扰。通过构建系统模型,分析能量传输与信号传输的增益以及系统传输干扰,得到系统参数对传输特性影响规律。为提高信号传输增益以及减小信号正反向传输之间的串扰,优化了耦合机构线圈布置方案。最后,搭建了传输功率为20 W的无线能量与信号全双工同步传输平台,实验结果表明,在电能传输不受影响的同时,实现了正向传输速率200 kbps、反向传输速率400 kbps的信号全双工同步传输,验证了所提方法的可靠性和有效性。

基于交互式设计超材料建模与分析的MCR-WPT效率提升研究

超材料具有特殊的磁场调控能力,被广泛关注并应用于磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)领域,但寻求针对特定领域目标需求的超材料设计具有挑战性.目前,超材料的一般设计方法为S参数反演法和等效电路法,设计流程通常需要多次建模仿真得到目标参数,该过程较为繁琐耗时.对此,深入分析上述两种设计方法的特性并将二者结合,采用HFSS与MATLAB软件交互设计和优化用于MCR-WPT特性提升的超材料,有效简化了超材料的设计过程.以无线电能传输效率优化为目标设计方形和Koch两种超材料单元,分析对比两种单元的电磁特性.搭建工作频率为6.78 MHz的MCR-WPT系统实验平台,探究两种超材料对传输效率的影响.实验结果表明,方形超材料和Koch超材料分别实现了28.4%和24.6%的最大传输效率提升,证明了交互设计可以更简便地设计超材料并且用于无线电能传输系统传输效率的提升.

基于谐波通讯的无线电能与反向信号同步传输技术

针对现有无线电能与反向信号同步传输(simultaneous wireless power and reverse signal transmission,SWPRST)系统存在较大无功功率、负载电压易受信号传输发生波动或需要额外增加高频信号源等问题,提出一种基于谐波通讯的SWPRST技术,通过利用逆变器输出方波电压中的基波分量传输电能,三次谐波分量传输信号。不需要外加高频信号发射电路,实现了可靠的电能与反向信号同步传输。首先,给出基于谐波通讯的SWPRST系统结构,对其工作模式和基本原理进行分析;接着,建立系统等效数学模型,分析系统参数取值对信号与电能传输之间的互扰影响;然后,对信号的调制解调电路进行设计,分析信号检测通道参数对信号传输速率的影响;最后,搭建实验平台对理论分析进行验证,实验结果表明,该方法在有效实现了无线电能与反向信号同步传输的同时,信号无误码率传输速率可达5 kbps,同时系统具有无功小,输出负载电压几乎无波动(电压波动率0.33%)等优点。该方法采用谐波作为信号载体,为多频利用式实现电能与反向信号同步传输系统提供一种新的思路,具有较好的理论意义与实际工程应用价值。

基于容性屏蔽的无线电能传输系统有源磁屏蔽结构优化

为了改善无线电能传输系统中的磁场泄漏问题,本文提出了一种基于无源容性屏蔽的强耦合有源磁屏蔽结构。首先,在无源容性屏蔽的无线电能传输系统的基础上,设计了一种强耦合有源磁屏蔽线圈结构。其次,给出了此线圈的工作原理与设计方法,推导了数学模型以及等效电路模型。从理论出发解释了容性屏蔽和有源屏蔽的原理,并对屏蔽效果及传输效率受屏蔽线圈参数变化的影响作了分析。最后,结合得到的线圈参数,在所提线圈结构的基础上,设计出了一套电动汽车无线充电系统,通过理论计算、仿真和实验,对所提线圈结构和方法的有效性进行了验证。结果显示,该线圈结构在维持96%以上传输效率的同时,能够将系统的漏磁减少大约40%,实现了降低泄漏磁场和保持高传输效率的目标。

基于变频重构S/SP拓扑的无线电能传输系统恒流恒压研究

针对电动汽车无线充电系统耦合系数和负载变化导致系统输出电流和电压剧烈波动的问题,提出一种由交错叠放式线圈结构和变频重构控制策略组成的无线电能传输系统,通过重构补偿拓扑,并切换工作频率,实现了系统的恒流恒压输出。首先,分析了拓扑重构前后系统的恒流、恒压输出特性和零相角特性,对比恒流恒压工作模式下补偿电容的大小,给出了系统参数调整方法。其次,剖析了交错叠放式线圈结构模型,提出基于耦合系数波动最小原则的线圈结构优化策略。所提出的系统补偿元件较少,两个工作频率点符合国际标准。最后,搭建一套500 W的实验样机,验证系统的可行性和有效性。实验结果表明,交错叠放式线圈在X轴方向偏移发射线圈外径的55%(187mm)或Y轴方向偏移120mm时,耦合系数波动率小于5%。系统在恒流模式下电流波动率为3.58%,在恒压模式下电压波动率为4.83%,满足无线充电系统恒流恒压需求。

无线电能传输系统最大效率追踪及恒压输出复合控制方法

针对无线电能传输(WPT)系统的传输效率受耦合线圈之间的互感以及负载影响的特点,该文提出一种基于阻抗匹配技术的最大效率追踪及基于前馈PI控制的恒压输出复合控制方法。首先,对双边LCC型WPT系统的参数和传输效率进行分析,通过调整系统参数优化系统的传输效率。其次,在二次侧使用DC-DC变换器采用阻抗匹配的方法实现最大效率追踪,同时在一次侧采用DC-DC变换器利用前馈PI控制器闭环控制负载端电压实现恒压输出。该方法中,效率追踪和电压控制之间相互独立,互不干扰。此外,该方法还通过系统工作时的电路参数来估算线圈间的互感值,并通过线性拟合的方法对该估算互感值进行修正,得到更精确的互感估算值。最后,通过搭建实验平台验证了该方法的可行性和有效性。与PI控制相比,前馈PI控制方法在快速性和抗扰动性上均具有明显优势。

集成LCC-S拓扑的二维全向无线电能传输系统无盲区能量捕获方法研究

针对二维全向无线电能传输技术存在空间磁场完整度与电流控制策略复杂度的竞争问题,该文提出一种集成LCC-S拓扑的二维全向无线电能传输系统无盲区能量捕获方法。该系统以二维正交线圈为电磁耦合机构,并将其集成于LCC-S型补偿拓扑。同时提出一种自调整参数设计方法,实现系统在二维空间内产生时均旋转磁场以及系统的零相角输入。通过场-路耦合有限元模型分析系统在二维空间内磁场分布情况,随时间峰值磁场强度矢量轨迹为圆形。搭建集成型二维全向无线电能传输的实验样机,实验结果表明,该系统实现单一电源驱动下无盲区的二维全向电磁能量捕获。

心脏起搏器无线电能传输LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈研究

为实现植入式心脏起搏器无线电能传输系统的体积小型化以及改善系统的传输性能,该文提出一种基于LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈(PSC)的心脏起搏器无线电能传输系统。首先,建立线圈模型,研究在填充比率固定条件下PSC的匝宽和匝间距对传输效率的影响,确定最佳的线圈参数;其次,建立非集成式和集成式耦合机构的仿真模型,计算不同偏移情况下两种耦合机构的磁场分布情况;最后,搭建非集成式与集成式无线电能传输系统,验证集成结构在传输性能方面的优势。结果表明:在12mm的传输距离下,传输效率由62.3%提升至68.1%,输出功率提升了0.39W。此外,通过模拟计算无线充电过程中电场强度和比吸收率(SAR)值在人体内的分布情况,对系统进行安全评估。集成式PCS的提出有助于推进心脏起搏器无线电能传输系统的产品化进程。

基于多频磁负超材料的心脏起搏器无线供能研究

针对植入式心脏起搏器无线供能系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题,该文提出一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统。首先,根据磁负超材料等效介质理论,推导了正八边形超材料设计的基本公式,建立了MB-MNG基元模型;其次,以S-S结构为例,通过仿真和实验研究了6.78 MHz、8.94 MHz和13.56 MHz频段下系统传输效率;再次,为了研究可靠性,讨论了系统与MB-MNG之间的错位情况;最后,为确保安全性,使用多物理场仿真软件研究系统的电磁安全特性,并进行温升实验。实验结果表明:在三工作频段下,基于MB-MNG的WPT系统的输出功率为3.29W、2.77W和2.87W,与传统WPT系统和加入铁氧体薄板WPT系统对比,传输效率提高了24.6%~36.5%。同时,在系统发生偏移时,仍能保持30.73%~48.41%的传输效率;60 min充电测试内组织SAR值及最大温升均符合安全标准。

电动汽车多车位WPT下沉式磁屏蔽系统研究

在电动汽车无线电能传输系统中,实现高效传输的同时减少磁泄漏一直是一个技术挑战。针对这一问题,本文提出了一种应用于多无线电能传输系统的下沉式屏蔽线圈结构,该结构在减小目标面漏磁的同时不会影响系统的传输效率。首先,提出了一种基于矢量磁位的矩形线圈磁场计算方法,通过此方法对系统目标面漏磁进行分析,为后续的磁泄漏优化提供了理论依据;其次,介绍了一种漏磁优化的方法,运用该方法得到满足要求的各线圈参数,为实现高效的无线电能传输提供了关键支持;最后,根据得到的线圈参数,研制了一套带磁屏蔽结构的双车位电动汽车无线充电系统,通过仿真和实验,让提出的屏蔽结构和方法的有效性得到了充分证实。结果显示,当系统输出功率恒定在4 kW时,所提出的屏蔽结构不仅使目标区域最大泄漏磁场降低了25%,且传输效率高达95%。

新型无线电能传输三维耦合机构的设计与优化

为了进一步提高无线电能传输系统(WPT)的空间自由度,提出了一种新型类半球体状发射机构,从理论角度出发,利用互感叠加原理与等效电路模型分析了三维无线电能传输系统的特性;建立阵列式三维电能传输系统仿真模型,分析不同控制方式下的磁场分布规律,分别从距离特性与磁场分布研究系统传输性能,并搭建了无线电能三维传输实验系统,对该发射机构的传输性能进行验证。结果表明:新型结构最远可在400 mm处实现效率为19.2%的能量传输;在相同距离下,处于同一水平面的负载线圈在各方向接收功率最大效率偏差仅为8%,具有高均匀度磁场;该新型三维耦合机构具有空间高自由度、无方向性等良好的传输性能。

基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统

针对传统无线电能传输系统中发射机构和接收机构相对位置发生偏移时,传输功率和效率急剧下降的问题,提出了一种基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统。首先通过有限元仿真分析发射机构的磁场分布特性,设计了适应其磁场分布的接收机构;然后基于串串谐振补偿结构建立系统数学模型,分析系统传输特性;在此基础上提出了最优输出方式选择方法和传输特性优化方法。最后,通过试验验证了所提系统多自由度传输能量的可行性和有效性。试验结果表明,接收机构在多角度情况下的输出功率维持在35 W以上,传输效率稳定在60%~75%。

基于多端口网络理论的多负载WPT系统效率最大化研究

针对多负载无线电能传输系统效率的最大化问题,采用多端口网络理论分析并将系统效率最大化下的最优负载值问题转为求解广义特征值问题。首先,搭建单输入多输出多负载无线电能传输系统模型,结合端口网络理论和广义瑞利商深入研究系统最佳负载和最大效率之间的关系。在系统参数确定的前提下,通过对系统负载值进行设计,可以实现系统达到最高效率运行的状态,并应用对偶原理将理论成果推广至多负载电容式无线电能传输系统中;其次,采用遗传算法对多负载无线电能传输系统效率进行寻优,确定最佳负载值的正确性和可行性;最后,搭建了基于S-S拓扑的电感式无线电能传输系统实验平台,将单输入两输出、单输入三输出、单输入两不同、单输入三不同输出负载系统作为样本,仿真和实验数据对比验证了所提方法的正确性及最佳负载的可行性。

基于磁控制的非谐WPT系统抗偏移策略

针对无线电能传输(WPT)系统耦合线圈偏移导致输出电压增益下降的问题,提出一种基于初级可变电感补偿的WPT系统抗偏移方法。首先,建立T型CLC-S补偿网络拓扑模型,对比分析系统谐振与非谐振工况下互感与电压增益的关系。然后,介绍可变电感的技术原理,并结合系统互感变化下的电压增益曲线,得到基于初级可变电感的稳压策略。最后,搭建了仿真模型与实验平台,验证了策略的有效性。仿真和实验结果表明,采用所提稳压策略能够有效提升系统在偏移情况下的鲁棒性,相较于实验组,扩宽了互感可变化范围59.35%,恒压输出区间范围内效率稳定保持在81.6%以上。