低速转动多负载MCR-WPT系统研究

目前,磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetic coupling resonance-wireless power transmission)的研究主要集中在单发射多负载静止和单发射单负载转动2种形式。通过对单发射低速转动多负载状态下的系统进行研究,建立单发射多负载系统并进行理论分析,使用COMSOL对静止状态下多负载接收线圈进行仿真,设置静止状态与旋转状态作对比实验,分析接收端转动对MCR-WPT系统传输效率的影响,探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明,在低速转动三负载时,系统能够保持稳定的功率输出,单个负载的传输效率可以达到23.260%,总传输效率达到69.768%,低速转动对传输效率影响较小。

基于三级式可扩展多模块并联架构的低压大电流高距径比无线电能传输系统

在低压大电流高距径比磁谐振式无线供电场合,由于传输线圈间的耦合系数很小,因此功率器件和谐振元件的电流很大,导致系统损耗大,难以优化设计。为此,文中提出一种三级式可扩展多模块并联无线电能传输系统架构,利用基波分析法对双模块并联系统建模并分析其传输特性。为提升系统效率,对比3种输出级结构及其控制策略并遴选出一种最优拓扑。进一步地,提出线圈级具体参数设计方法以减小电压电流应力并实现输入级软开关。最后搭建一台距径比为1(30 cm/30 cm)的1 kW原理样机验证理论分析,对比3种不同输出级拓扑的性能。实验结果表明,系统最高效率可达75.2%。

MCR-WPT系统负载特性分析及线圈参数设计

在磁耦合谐振式无线能量传输技术中,系统电气参数的变化会对传输性能产生重要的影响,因此,研究二者之间的关系对提高系统的传输性能具有重要意义。线圈作为该技术的核心部件,其参数的设计受到诸多因素的限制,如何兼顾系统的功率和效率对线圈参数进行合理的设计一直是该技术的难题。为此,文中基于等效电路理论建模,着重研究了系统的负载特性,结果表明:在磁耦合谐振式无线能量传输系统中,不存在最佳负载使系统的输出功率和传输效率同时达到最大。利用MATLAB验证了理论分析的正确性。其次,通过MATLAB仿真分析了线圈的匝数、平均半径对系统传输性能的影响规律。研究表明:在普通负载状态下,系统的输出功率随着线圈匝数和平均半径的增加均表现出先增加后减小的趋势。在此基础上,以60 W负载灯泡为例对线圈参数进行设计,在传输距离为0.5 m时,传输效率可达到94%。理论计算结果证明了参数设计的可行性和实用性。

MCR-WPT发射/接收线圈性能仿真建模分析

以两线圈等效电路模型为研究对象,重点考虑谐振线圈中通过的高频电流会受趋肤效应与邻近效应的影响,致使导体的有效截面积减小,增大线圈的高频损耗。为了掌握趋肤效应与邻近效应对系统传输的具体影响,在理论分析的基础上研究了线圈参数对系统传输性能的影响规律,并利用Maxwell电磁场仿真软件对圆形导线横截面模型在不同频率情况下进行仿真分析,得到了趋肤效应与邻近效应各自产生的损耗随绕组厚度和频率的变化趋势,由此提出可用铜管来代替相同外径圆形实心导线,以提高材料的实际利用效率。通过理论与仿真结果对比,验证了铜管替代实心导线提高无线电能传输线圈中导线有效截面利用率的可行性,此方法可减小导线在高频电流条件下产生的电阻损耗。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的无模型自适应控制研究

为解决磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)系统因频率失谐而使得传输效率降低的问题,提出一种无模型自适应频率跟踪方法。该方法以发射端电流和电压间的相位差值为控制器输入,以控制器输出来调控发射端的交流电源频率;控制器设计不依赖于系统的精确数学模型,而且可通过伪雅可比矩阵的自适应估计律来提高应对发射端频率失谐的控制自适应性。MCRWPT系统的控制仿真结果表明,相比传统的PI控制,该方法不仅在较长的无线传输距离情况下能实现维持系统发射端的谐振工作状态,而且具有更好的谐振频率跟踪性能,对保持较高的系统无线电能传输效率具有明显优势。

基于磁耦合谐振腔的可重构宽带匹配电路

为了降低工艺波动、版图二阶效应、模型偏差等非理想因素对射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit,RFIC)性能造成的不良影响,提出了一种基于磁耦合谐振腔的可重构宽带匹配电路(Reconfigurable Wideband Matching Network Based on Magnetically Coupled Resonator Tank,MCR-RWM)。通过数字控制电路配置可调电阻阵列和可调电容阵列,改变匹配电路增益、带宽、增益平坦度、纹波等参数,实现宽带匹配电路重构。在65 nm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺设计了一款基于MCR-RWM的驱动放大器并集成于接收芯片。测试结果显示,在18.2~20.2 GHz频率范围,通过数字控制电路重构驱动放大器的宽带匹配,接收通道的S_(22)改善了3.5 dB,S_(21)提升了0.5 dB,增益平坦度改善了0.1 dB,-3 dB带宽增大了113 MHz。

基于螺线方程的MCR-WPT系统线圈设计

在磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)系统中,线圈作为能量中转的关键环节,其参数的设计决定了系统的传输效率,但目前仍然没有成熟完善的线圈设计方法。将平面螺旋线圈作为研究对象,采用阿基米德螺线方程,建立了精确的数学模型,分析了耦合线圈互感、自感、电阻与线圈几何参数的关系,得到了较为精确的计算方法。通过COMSOL进行仿真验证,在线圈匝间距较小时,各电量计算误差在5%以内。针对给定的限定条件,以线圈传输效率作为优化目标,通过Matlab求解出最优的线圈参数。最后,绕制实际的线圈并由实验测得其最大传输效率超过95%,证明了线圈设计方法的合理性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统功效失步优化

针对磁耦合谐振式(magnetic coupling resonant,MCR)无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统输出功率与传输效率数量级不匹配以及功效同步优化策略需特征融合Pareto最优解的问题,提出功率效率特征缩放的熵值法,以此对Pareto解集特征融合求权重,得到失步状态下的改进功效同步优化目标函数,实现输出功率与传输效率的同步提升。首先,通过确定影响双线圈MCRWPT系统输出功率和传输效率Pareto最优解的参数,采用所提出的熵值法对差分进化算法(differential evolution,DE)的目标函数进行改进。然后,基于功效工作特性和DE算法对改进的失步条件下的系统功效模型优化,模拟输出功率和传输效率随参数的变化。从仿真结果可知,双线圈MCRWPT系统的输出功率和传输效率同时都得到了提高。最后,通过实物系统搭建验证改进失步功效模型方法的有效性。

带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率特性分析

探讨了带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetic coupling resonant-wireless power transfer)系统的传输效率优化问题。通过构建和分析带中继线圈的等效电路模型,引入功率传输性能参数|Sij|2推导出当中继线圈和接收线圈位置固定时,发射线圈和带中继谐振器之间的最佳耦合系数的闭合形式解,进而确定发射线圈和带中继谐振器之间的最优距离,实现总系统传输效率最大化。通过线圈设计及相关实验,验证了分析结果与实验结果的一致性。研究结果表明,MCR-WPT系统可方便配置最佳耦合系数以实现电能传输效率最大化,为带中继谐振器的WPT系统效率优化提供重要参考。

一种基于65nm CMOS工艺的33.5~37.5GHz有源矢量合成型移相器

基于65 nm CMOS工艺设计了一款33.5~37.5 GHz的6 bit有源矢量合成型移相器(VSPS)。该移相器采用Lange类型的90°耦合器作为I/Q信号发生器,其中的电感采用8字形电感实现;此外,矢量合成部分采用电流合成结构,使芯片面积更加紧凑。后仿真结果显示,该移相器覆盖360°移相范围,对于64种移相角度状态,其整个工作频带下的相位均方根(RMS)误差约为0.33°~3.20°,移相附加增益幅度约为-8.38~-4.89 dB,其RMS误差小于0.59 dB,噪声系数约为12.55~15.55 dB,输入反射系数小于-15 dB,输出反射系数小于-7.9 dB,在33.5、35.5和37.5 GHz频率下,其1 dB压缩点输入功率分别为-1.38~0.96、-1.13~0.75和-0.30~1.40 dBm。该移相器核心电路面积仅约为0.11 mm^(2),在1.2 V的电源电压下,消耗14.6 mW的直流功率,具有面积紧凑、功耗较低、插入损耗适中且精度较高的优势,有利于相控阵系统大规模集成和应用。

基于LCL补偿的双频双负载无线电能传输系统

为实现多负载磁耦合谐振无线功率传输(MCR-WPT)系统各负载间的功率调节,提出一种双频双负载MCR-WPT系统。输入端采用多频多幅信号叠加调制方法,多个频率信号共享一个公共逆变器以及直流电压源,发射端采用LCL补偿网络提供不同谐振频率的传输通道,各接收机谐振频率与输入信号频率一一对应,从而实现不同负载间功率的分配调节。建立具有不同谐振频率的双负载MCR-WPT系统的数学模型,分析系统输入阻抗特性,采用粒子群算法实现系统参数的优化设计方法,使系统工作在零电流开关状态下以减少开关管开关损耗。在搭建的实验样机上对该系统进行了实验验证。

LCC-P型谐振式无线传能电路设计

设计LCC型磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCRWPT)电路,通过研究不同谐振补偿网络的拓扑参数,并分析其对于传输效率的影响,为耦合线圈和硬件电路的设计提供理论依据,对发射端和接收端的硬件电路进行设计。同时,通过电子电路仿真软件PSIM对各个系统进行仿真分析,完成硬件电路的制作,在实验室环境下进行电路实验,验证系统的可行性。

用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的新型恒流补偿网络

对于磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT)系统,其谐振补偿网络是系统的重要组成部分。该文提出并设计了一种用于恒压输入、恒流输出磁耦合系统的新型补偿网络,该补偿网络不仅可实现电流增益的负载无关性,还具有单位功率因数输入的特性。理论推导出系统传输效率及输出功率的数学模型,并分析其与耦合系数、工作频率、负载电阻之间的相应特性曲线。数值仿真和实验结果表明,新型补偿网络应用于MCR-WPT系统时,可实现系统电流增益的负载无关性,并获得较高整机效率。

基于双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统研究

为了简化磁耦合谐振式无线充电系统电路设计和控制的复杂性,提出一种双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统,只需对部分补偿元件进行投切操作,即可实现恒流和恒压充电。首先利用二端口网络对系统原边、副边建模得到双LCL数学模型,分析实现恒流或恒压输出的参数配置条件;然后根据恒流和恒压参数配置特点,设计变补偿参数的电路结构;再根据仿真方法得出的关键参数与系统传输特性之间的关系,合理设计参数配置,使得磁耦合谐振式无线充电系统无复杂电路环节而且控制简单,还可实现原边电流和频率恒定;最后搭建实验平台,验证设计的系统输出的电压或电流波动较小,可以满足恒压和恒流充电的要求。

电动汽车无线充电技术研究与应用探讨

能源危机和环境问题越来越受到人们的重视,电动汽车以其节能、环保、低噪声、零排放等优点受到人们的青睐,同时无线充电技术具有接触式充电所不能比拟的优势,因此对电动汽车采用无线充电技术更加符合未来社会的发展趋势。介绍了三种常用的无线充电技术,描述了国内外电动汽车无线充电技术的研究现状。着重总结了感应耦合式和磁耦合谐振式在电动汽车无线充电应用中存在的问题及相应的解决方案。最后对WPT技术在电动汽车无线充电中的发展方向进行概述。

电动汽车无线充电系统线圈参数的仿真与设计

磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的大功率高效率的能量传输,更加适用于电动汽车的无线充电。线圈作为该技术的核心部件,合理的线圈参数设计能够有效地提高系统的输出功率和传输效率。为此,首先介绍了该技术的工作原理并基于等效电路理论建模。其次描述了该技术在电动汽车无线充电中的应用。再次利用MATLAB仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响,得出结论:存在最佳匝数和平均半径使系统的输出功率和传输效率达到最大。随后对适用于电动汽车无线充电的线圈参数进行设计,设计的系统在传输距离为0.3 m时,输出功率为1.60 kW,传输效率可达到96%。最后通过Pspice仿真证明了参数设计的可行性。

磁耦合谐振式WPT系统频率特性分析

磁耦合谐振式无线能量传输技术能够实现中远距离的高效能量传输,给人们的生活带来极大的便利,更加符合未来社会发展的方向。该技术中频率的变化会对系统的传输性能产生重要的影响,频率特性的分析对提高系统的传输性能具有重要意义。为此,通过利用互感理论,分析了在理想和非理想状态下距离、负载的变化对系统输出功率最佳工作频率和传输效率最佳工作频率的影响。结果表明:理想状态下在研究系统最大效率工作频率时不能忽略频率对线圈内阻的影响;非理想状态下系统的传输效率最佳工作频率为接收端的共振频率,与距离、负载的变化无关。在MATLAB环境下仿真证明了上述理论分析的正确性。

基于目标参数最优的磁耦合谐振式无线能量传输系统频率特性分析及仿真验证

磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的高效能量输出,表现出极大的应用潜力.在该技术中,频率的变化会对系统传输性能产生重要的影响.因此频率特性分析对提高系统性能具有重要的意义.在考虑线圈内阻的条件下,利用阻抗反射理论分析了4种拓扑结构下距离和负载的变化对系统发射端谐振补偿策略的影响,发现串串型拓扑结构的频率稳定性最好.基于互感理论分析了在理想和非理想状态下距离和负载的变化对系统最佳工作频率的影响.在MATLAB环境下建模分析验证了上述理论的正确性.利用插值法和多项式拟合对理想状态下传输效率的最佳工作频率进行仿真分析.结果表明,样条插值和8次多项式拟合效果最好,可为后期提高频率控制的精确性提供一定的参考.

基于改进人工蜂群算法的无线电能传输系统输出控制

磁耦合谐振式无线电能传输系统中,当耦合系数较大时系统将发生频率分裂现象导致输出功率降低。采用软件调频的输出控制可以稳定输出性能。然而输出功率是一个极值个数和半径都可变的多峰函数,因此需要改进标准人工蜂群算法以搜索所有极值。首先通过系统模型的分析,说明频率分裂现象的影响和多峰搜索的必要性,提出一种原边控制方法,得到输出性能的函数。然后提出3种策略对标准人工蜂群算法进行改进,包括采用正交生成法改进了食物源的分布;采用比较父代与子代之间的欧式距离选择食物源,避免漏峰;通过对适应度排序确定个体增量动态地缩小小生境的范围。最后搭建了一个两线圈无线电能传输系统,通过计算和实验证明,改进的人工蜂群算法收敛速度快、优化精度高,在保证传输效率的前提下,能够提高并稳定系统在过耦合状态时的输出功率。

基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)因其具有在中长距离传输较大电能的优势,获得较高的潜在应用价值。针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统,首先分析其传输效率,得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统取得最大效率的必要条件;进一步分析并证明在线圈互感一定的情况下,存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值;然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载,提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案;最后通过仿真和实验验证了方案的有效性和可行性。