基于恒定互感的MCR-WPT系统高偏移容忍度磁耦合机构设计与优化

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中,针对线圈间水平方向偏移时互感骤降而导致的系统运行稳定性问题,本文设计了一种具有高偏移容忍度的对称反向串联线圈(symmetrical reverse series coil,SRSC)磁耦合机构。SRSC结构的接收线圈采用两个同心圆形线圈反向串联连接,在没有额外增加任何谐振补偿网络和辅助控制装置的情况下,能够大幅度提高系统在任意水平方向上的偏移容忍度。本文首先提出一种空心圆形线圈在偏移工况下的互感计算方法,然后分析SRSC磁耦合机构的结构特性和互感特性,并提出一种基于恒定互感的磁耦合机构优化设计方法。仿真和实验结果验证了理论计算分析的正确性,SRSC结构能够有效解决无线电能传输系统线圈水平方向偏移的互感剧烈波动问题,使系统在发射线圈外径50%偏移范围内仍能保持高效运行,提升了系统的稳定性。

兼具强抗偏移性与功率可控性的可重构无线充电系统研究

针对水平偏移与电池充电时输出功率可控性较弱的问题,提出一种可重构无线充电系统WCS(wireless charging system)。通过合理地切换传能通道,实现互感与负载较宽范围变化时恒流/恒压充电和全桥逆变器软开关ZVS(zero voltage switching)状态。首先,分析系统电路拓扑,推导系统参数与充电电流/电压、ZVS状态之间关系式,据此阐释系统重构与功率可控的合理性;其次,构造交叠线圈式磁耦合机构MCSC(magnetic coupler with sandwich coils),分析其水平偏移性能,为系统高偏移容忍度的设计提供依据;第三,分析WCS的工作流程,设计的闭环控制器实现了较宽偏移与负载波动时恒流/恒压充电、ZVS状态;最后,搭建旋翼无人机用WCS,实验结果表明,最大输出功率为126 W且系统效率大于85%时,水平偏移范围为直径340 mm的圆形区域。

一种动态无线电能传输系统的线圈切换方法

阵列式动态无线电能传输系统因其运行损耗和漏磁更小、灵活性更好而被提出,其工作性能通常取决于发射阵列和接收线圈的结构。提出了一种基于LCC-S补偿拓扑的线圈切换方法,使切换时刻的互感下降和互感突变最小化以提高系统的偏移容忍度;同时,比较了应用该切换方法后,单层和双层发射阵列系统的工作性能。仿真结果显示,虽然双层发射阵列系统的切换控制更复杂,但在接收线圈与发射线圈间发生偏移时其输出功率下降更小,偏移容忍度更高。实验结果证明,该线圈切换方法在实际中有效可行。

无线电能传输系统恒功率充电的研究

线圈发生物理偏移会导致线圈间耦合系数减小,而传统的无线电能传输系统(WPT)对耦合系数的变化较为敏感,输出功率将会剧烈波动。引入调节因子去调节发射级补偿元件的参数进而调节偏移输出特性曲线可以提高系统的抗偏移能力。提出一种引入双调节因子的CCC-S拓扑的WPT系统,先建立了CCC-S拓扑电路模型,然后对发射侧补偿电容参数进行设计,并通过仿真分析和样机实验验证所提方案的正确性,实验表明,该系统能够耦合系数为0.22-0.35的范围内,维持输出功率波动率小于7.78%,同时最大传输效率达到91.9%。