双耦合SP-S补偿紧凑型抗偏移WPT系统

在无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,偏移是不可避免的,偏移会引起系统参数的变化从而影响系统的传输性能。基于S-S和P-S补偿拓扑,提出一种具有抗偏移特性的双耦合SP-S补偿的紧凑型WPT系统。该系统采用两个同轴布置、相互解耦的圆角方形线圈作为能量的发射线圈,其与单一方形接收线圈均有耦合,提升了X方向和Y方向的抗偏移容忍度。通过谐振参数配置使接收线圈在偏移的过程中,一个线圈回路的输出增加,另一个线圈回路输出减少,从而使系统输出随接收线圈位置偏移波动平缓。提出方形解耦线圈结构参数的设计方法,并分析发射端并联补偿电容对输出抗偏移性能的影响。最后,搭建实验平台验证该方法的有效性与系统的抗偏移能力。

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%。

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.

海水对UUV WPT系统的影响及耦合机构的补偿研究

针对水下无人航行器(UUV)无线电能传输(WPT)系统的效率和稳定性问题,建立了水下WPT等效电路,并对其工作原理进行了数学推导和分析。以此为基础研究了海水环境对WPT电路性能的影响机理,推导出了WPT系统在海水中的传输功率及效率模型。由于在海浪和海流等水下外界干扰下电能传输机构的收/发端均会产生偏移,从而影响系统电能传输的稳定性和效率。为减小影响,分析了4种典型拓扑补偿电路结构,并给出了最优补偿电路选取原则。最后,在MATLAB平台进行验证,结果验证了数学推导的正确性以及补偿电路设计的有效性。研究结果可为类似水下无线供电系统的设计提供借鉴。

基于SAR阻抗匹配的WPT最大效率跟踪控制方法

无线电能传输(WPT)技术因其安全、便捷、非接触等优点而备受关注。最大效率传输是WPT系统中一个重要课题。传统的最大效率跟踪方法通常设定系统在固定耦合条件进行负载阻抗匹配,然而,耦合系数会在初级和次级线圈相对位置变化时不可避免地发生变化。提出基于耦合系数辨识与半有源整流(SAR)阻抗匹配的最大效率跟踪控制方法,该方法利用SAR结合耦合系数识别进行阻抗匹配,开关控制电容(SCC)补偿其阻抗虚部,避免了整流电路中非线性因素的影响。同时系统响应较快且控制方法便于实现。仿真和实验结果表明,耦合系数和等效负载变化时,都可以准确估计耦合系数并跟踪至最大效率点和输出恒压。

基于平衡阻抗的MC-WPT系统传导干扰抑制方法

抑制电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)以提升电磁兼容性是磁耦合无线电能传输系统推广应用中必须解决的关键问题。该文以传统LCC-S型磁耦合无线电能传为研究对象,针对阻抗不平衡和寄生参数造成的传导干扰问题,提出EMI滤波器和谐振补偿网络的融合拓扑。文中分析传统LCC-S型MC-WPT系统传导干扰的产生机理及传输通道特性,给出融合拓扑的设计方法,并通过实验验证该文所提出的拓扑对EMI抑制的有效性。在搭建的85 kHz/500 W实验系统中,该文提出的融合拓扑的线圈共模干扰电流相比于传统LCC-S型拓扑降低35.6 dB,在特定频率点的线圈差模干扰电流降低23.6 dB;在输入侧的共模和差模传导干扰分别降低约30 dB和10 dB。该文所提出的融合拓扑及其设计方法也可推广应用至其他谐振类型的MC-WPT系统中。

基于无迹卡尔曼滤波水下WPT系统副边关键参数在线辨识

为提升无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输性能,需在控制过程中实时获取负载与耦合系数等关键信息,而该信息的获取目前普遍采用无线通讯模块或增加额外通信线圈等方式,增加了系统复杂度,尤其面临复杂水下工况及高频电磁环境,在通讯过程中极易造成通讯异常而导致系统瘫痪。为此,文中提出一种新型基于无迹卡尔曼滤波的WPT系统互感及负载关键参数在线识别方法,该方法仅需采样原边侧电压瞬时值,即可实时获取互感与负载等关键参数信息。同时为提升辨识精度与收敛速度,采用离线式神经网络指导粒子群优化算法建立系统噪声协方差矩阵。实验结果表明,该算法具有模型简单、计算精度较高等特点,在变负载、变移相控制角及偏移情况下,所提出的在线辨识方法对负载与互感的最大识别误差分别为6.19%和1.7%,且2 ms左右即可完成负载的动态识别,具有一定的工程应用价值。

WPT系统双边协同抗饱和控制策略研究

基于脉冲密度调制PDM(pulse density modulation)的双边协同控制使得无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统在耦合系数和负载阻抗变化的情况下能够保持最大效率传输,但是在系统启动及电池恒流恒压充电切换时会产生远高于额定值的电流/电压超调。为了解决超调问题,保证电池充电稳定性,提出了一种抗饱和控制策略。首先,基于WPT系统的等效电路模型分析最大效率点跟踪的工作原理;然后,结合WPT系统两侧控制量的协同工作过程,解析系统启动及电池恒流恒压充电切换时的超调现象,给出恒流恒压控制器设计方法,将反计算抗饱和算法与控制器设计相结合,提出抗饱和控制策略;最后,搭建了仿真模型,验证所提出的抗饱和策略能够有效抑制控制器饱和导致的超调,减少系统到达稳态的时间,降低电流/电压的超调带来的元器件应力。

Highlights in recent wireless power IC research

Wireless power transfer(WPT)has been a popular topic in power integrated circuit(IC)designs in the past decade.As slogan"cutting the last wire"presented in ISSCC’15[1],WPT is poised to take over many wired power deliveries applica-tions today,just like what happened to wireless communica-tion nowadays.Over the years,WPT has become more mature and more wirelessly charged or powered products have become available on the market.This mini review intends to summarize recent breakthroughs in WPT inte-grated circuits(IC)research.

Intelligent Reflecting Surface Assisted Transmission Optimization Strategies in Wireless Networks

Wireless Power Transfer(WPT)technology can provide real-time power for many terminal devices in Internet of Things(IoT)through millimeterWave(mmWave)to support applications with large capacity and low latency.Although the intelligent reflecting surface(IRS)can be adopted to create effective virtual links to address the mmWave blockage problem,the conventional solutions only adopt IRS in the downlink from the Base Station(BS)to the users to enhance the received signal strength.In practice,the reflection of IRS is also applicable to the uplink to improve the spectral efficiency.It is a challenging to jointly optimize IRS beamforming and system resource allocation for wireless energy acquisition and information transmission.In this paper,we first design a Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH)clustering protocol for clustering and data collection.Then,the problem of maximizing the minimum system spectral efficiency is constructed by jointly optimizing the transmit power of sensor devices,the uplink and downlink transmission times,the active beamforming at the BS,and the IRS dynamic beamforming.To solve this non-convex optimization problem,we propose an alternating optimization(AO)-based joint solution algorithm.Simulation results show that the use of IRS dynamic beamforming can significantly improve the spectral efficiency of the system,and ensure the reliability of equipment communication and the sustainability of energy supply under NLOS link.

全方向WPT系统磁耦合参数识别方法研究

全方位三激励WPT系统中接收端和发射端之间的磁耦合参数是影响系统传输效率的重要因素,对耦合参数进行有效地辨识是使全方位WPT系统达到最大效率的关键。在采用高频逆变器作为发射线圈激励源的情况下给出逆变输出电压各次谐波的数学描述,在移相角为π/3的条件下忽略谐波,将输出的方波电压用波形具有标准正弦形状的基波来近似替换。在此基础上推导出系统发射端电流有效值的数学模型,引入改进的遗传算法,将参数辨识问题转换为全局寻优问题,给出基于该模型的磁耦合参数辨识方法,并通过仿真及实验验证了所提方法的可行性及有效性。

基于WPT技术的超高压输电线路监测设备供电系统的研究

根据要求,500 kV及以上输电线路必须装设在线监测设备,从而很好地辅助维护人员及时了解输电线路的实时状态。为保证在线监测设备在各种情况下高效运行,需要配备一套稳定、可靠、抗干扰能力强的供电系统。立足无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术,并遵循国家倡导的绿色电网理念,提出一种射频取电无线电能传输技术,并围绕该技术的原理、设计展开论述,以期优化超高压输电线路监测设备的供电方式,进一步保障对超高压输电线路的实时监测,推动超高压输电线路的稳定运行。

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。

基于频率切换实现电池恒流和恒压充电的LCC-S补偿WPT系统研究

无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统具有安全、方便、美观等性能优势,已逐步渗入到人们的日常生活中。在电池充电应用中,通常期望WPT系统能够在零相角ZPA(zero phase angle)条件下实现负载无关的恒流和恒压充电功能。提出了一种基于频率切换的LCC-S补偿WPT系统及其参数设计方法,可使系统在2个不同的ZPA频率点分别实现负载无关的恒流和恒压充电输出,无需改变电路拓扑结构。设计的LCC-S补偿WPT系统接收侧仅有一个补偿电容,确保了WPT系统接收侧紧凑性。最后,搭建了一台充电电流和电压分别为3 A和50 V的实验样机,验证了本研究中WPT系统的合理性与实用性。

基于E类逆变器的WPT系统线圈抗偏移研究

现有无线电能传输(WPT)系统中普遍存在元器件参数选型难,且常见线圈类型抗偏移能力普遍较弱。本文基于推挽式E类逆变器构建SS型拓扑结构磁耦合谐振式WPT(MCR-WPT)系统,计算系统中元器件参数,并推导其最大效率负载条件,同时提出同半径圆角矩形线圈设计,对同面积内不同条件线圈传输效率及抗偏移能力进行比较。仿真结果表明:耦合线圈结构与参数对传输性能有明显影响,在同等最佳负载条件下,所提线圈较其他常见类型线圈传输性能有所提升,最后通过实验验证仿真结果。

油田井下WPT系统磁耦合机构优化设计

为优化油田井下无线电能传输系统磁耦合机构,提出一种改进型螺线管型磁耦合机构,采用Maxwell电磁场仿真工具提出一种优化设计方法,并通过研究LCC-S高阶补偿拓扑的特性得到了LCC-S的补偿设计公式和主要电路特性,最后使用PSIM(Power Simulation)仿真软件通过闭环PI(Proportion Integration)控制验证了提出的耦合结构和补偿拓扑的设计可行性和正确性,结果表明,该磁耦合机构适合油井下供电场景。

具有平面灵活供电特性的三极板SCC-WPT系统

单电容耦合无线电能传输(single capacitive coupled wireless power transfer,SCC-WPT)技术主要通过一对极板即可实现无线电能传输,不仅可以减少耦合机构的极板数量,还可以消除耦合机构极板之间的交叉耦合电容,因此,该技术在二维平面移动设备的无线供电应用中具有较好的灵活性。基于该技术,文中提出一种可为二维平面上移动设备灵活供电的三极板SCC-WPT系统。通过分析三极板耦合机构的等效模型及绝缘介质对极板间互容的影响,给出系统的受控电压源等效电路及系统的谐振条件;结合耦合电容CM和互容系数kc给出系统的参数设计方法。最后通过实验验证提出的三极板耦合机构及系统参数设计方法的可行性和有效性。实验结果表明,负载在平面上任意位置传输性能基本不变,且功率保持稳定。相比于传统的SCC-WPT系统,该文利用新增的一块极板可以增加对地耦合电容,克服了杂散电容对系统的影响,提高了系统的性能稳定性和鲁棒性。研究成果可为二维平面移动设备的静态和动态无线电能供电提供新的方式。

Computation Rate Maximization in Multi-User Cooperation-Assisted Wireless-Powered Mobile Edge Computing with OFDMA

In the era of Internet of Things(Io T),mobile edge computing(MEC)and wireless power transfer(WPT)provide a prominent solution for computation-intensive applications to enhance computation capability and achieve sustainable energy supply.A wireless-powered mobile edge computing(WPMEC)system consisting of a hybrid access point(HAP)combined with MEC servers and many users is considered in this paper.In particular,a novel multiuser cooperation scheme based on orthogonal frequency division multiple access(OFDMA)is provided to improve the computation performance,where users can split the computation tasks into various parts for local computing,offloading to corresponding helper,and HAP for remote execution respectively with the aid of helper.Specifically,we aim at maximizing the weighted sum computation rate(WSCR)by optimizing time assignment,computation-task allocation,and transmission power at the same time while keeping energy neutrality in mind.We transform the original non-convex optimization problem to a convex optimization problem and then obtain a semi-closed form expression of the optimal solution by considering the convex optimization techniques.Simulation results demonstrate that the proposed multi-user cooperationassisted WPMEC scheme greatly improves the WSCR of all users than the existing schemes.In addition,OFDMA protocol increases the fairness and decreases delay among the users when compared to TDMA protocol.

同轴旋转型MC-WPT系统电能与信号并行传输方法

针对同轴旋转型MC-WPT系统,提出一种基于同轴环形六绕组耦合机构的电能与信号并行传输方法。首先,建立六绕组耦合机构数学模型,给出电能与信号传输通道间的交叉耦合参数表达式。其次,结合有限元仿真,分析各绕组相对位置关系与电能与信号通道交叉耦合之间的关系,并在此基础上给出通道间实现解耦的条件。随后,分析并设计系统电能传输部分的补偿网络参数与特性,给出信号传输部分的信号发射与接收电路结构。最后,搭建MC-WPST系统实验原理样机,实验结果显示,所提出六绕组耦合机构对电能串扰以及开关噪声的基波部分有较好的抑制作用,在系统输出功率为150 W时实现了基于幅移键控的速率为19200 bit/s的信号传输。

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%。