无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略

为了保证动态无线电能传输(DWPT)系统工作于较高的电能传输效率和传输功率,减小由于系统参数变化导致的传输功率和传输效率的下降。该文提出一种零电压开关角(ZVSA)跟踪和动态电容补偿矩阵(DCCM)相结合的无线电能传输系统频率跟踪控制策略。采用电流传感器来获取谐振电流的相位,并利用处理器产生的参考信号来测量谐振电流的相位。微控制根据频率漂移的程度计算补偿电容的大小,粗略地将自然谐振频率调至85 kHz,然后系统自动跟踪谐振电流相位,对谐振频率精确跟踪。该方法通过直接对相位检测电路输出的直流信号进行采样,轻松地获取高频电流的相位,大大降低了对微控制器的占用。该文提出的控制策略和系统结构结合了模拟电路和数字控制的优点,不仅对系统参数变化有高动态响应,而且极大地节省了处理器资源。

电流过零比较与动态时滞的无线电能传输频率跟踪方法

为解决无线电能传输系统参数变化导致的频率失谐问题,建立电能传输的磁耦合等效模型,研究系统的频率跟踪控制原理,揭示耦合系数、负载等参数变化对系统电压增益和跨导增益的影响规律,得到开关管工作在零电压开关状态下的实现条件及开关频率的变化范围。在此基础上,提出基于数字信号处理技术的电流过零比较与动态时滞的数字锁相环和系统阻抗角调节的控制方法,实现电压电流的频率和相位跟踪,结合电压外环、电流内环的双闭环控制实现恒压或恒流输出。最后,搭建实验平台验证控制方法的可行性和有效性,结果表明:改变气隙距离能够快速实现电压电流频率和相位的跟踪控制,且当气隙距离大于一定值时,所提方法得到的传输效率比固定频率控制时提高4%以上,验证了控制方法的有效性。

具有恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输技术

电场耦合式无线电能传输(EC-WPT)技术具有耦合机构轻、涡流损耗小和抗偏移性强等优势,这些优势很好地契合了动态无线电能传输系统的需求。但是,耦合参数和负载电阻的时变性会对EC-WPT系统的输出电压平稳性产生影响。因此,该文提出一种具有变负载与过分段恒压输出特性的动态EC-WPT系统。基于反混合G参数建立多端口电场耦合机构数学模型和等效电路,在此模型上提出兼具极板恒压与输出恒压特性的高阶补偿网络,并分析发射端同侧耦合对系统谐振的影响。理论分析表明,所设计的动态EC-WPT系统兼具变负载和过分段输出电压平稳的特性,同时论证了同侧耦合对系统谐振的影响为感性。实验结果显示,当直流侧负载从100Ω切换到30Ω时,系统输出电压变化率最大为11.58%,变负载电压基本恒定。30Ω负载下系统动态经过供电分段时输出电压跌落最大为2.33%,100Ω负载下系统动态经过供电分段时则为2.06%,过供电分段输出电压基本保持恒定。

多接收端AGV小车动态无线电能传输系统研究

为实现AGV小车24h全天候工作,多负载接收电能,采用磁耦合谐振式对AGV小车进行无线电能传输,设计多接收端AGV小车动态无线电能传输系统,并进行电磁场谐振耦合的仿真与建模,基于仿真与试验证明理论的正确性。

电动汽车动态无线电能传输系统设计及抗偏移特性研究

在电动汽车动态无线电能传输(DWPT)系统中,耦合机构相对位置发生偏移会导致能量传输效率和传输能力受到显著影响。因此,针对耦合机构偏移对系统传输性能的影响进行研究,并设计了一种具有抗偏移能力的链式动态传输系统。为提高系统对耦合机构发生偏移动态响应能力,降低负载接收功率波动,提出一种改进式人工神经网络的控制策略。当耦合机构发生偏移时,通过控制DC/DC变换器占空比实现对输出电流的平稳控制,从而实现对输出功率的平稳控制,并通过仿真和试验验证了该系统设计和控制策略的有效性。

轨道交通无线电能传输系统动态谐振线圈耦合模型研究

鉴于传统采用平板式线圈结构的无线电能传输系统,不适合列车在运行过程中的电能传输,设计了一种E型铁心线圈的RX(接收端)耦合结构来满足轨道交通供电系统的动态需求。综合考虑车辆停靠的偏移、横向与竖向的间隙及列车上允许的安装体积,建立了动态谐振线圈耦合模型,分析了谐振状态的变量因素,包括线圈自感、线圈互感及耦合电容等;充分考虑工程应用的实际需求,对RX与TX(发射端)的结构参数进行了设计;通过系统仿真验证了E形铁心线圈分别在x轴(线路横向)正向进行偏移,在y轴(线路纵向)正向进行小范围偏移,在y轴负向进行大范围偏移,以及到达极限位置时对耦合系数的影响。结果表明:E形铁心线圈在x方向的偏移对自感和互感等耦合参数几乎无影响,E形铁心线圈结构除偏移至极限位置外线圈耦合系数基本保持稳定。该模型能够有效减小耦合系数变化对无线电能传输系统稳定性的影响。

用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输

为了使运动工作和随意摆放的设备得到高效利用,从而不断提高人们生活品质和生产效率,人们迫切希望能够以无线方式为这些设备提供电力,而不是依赖导线连接电源或者停下工作来充电。据此,利用准静态谐振腔原理,初步研究了在特定三维空间内,为静止或运动设备无线供电的技术。根据准静态谐振腔结构和电磁场分布特点,给出了准静态谐振腔电磁场各坐标分量的直观近似表达式。在此基础上,分析了接收线圈的感应电动势和腔体的功率损耗,以及传输效率的一般表达式。制作了2.08×2.08×1.12 m^(3)的立方体且带一对电极的准静态谐振腔,并针对接收线圈的自转和公转等运动,开展了传输功率与传输效率的实验研究和相同条件下的仿真研究,实现了在手持且运动状态下为手机无线充电的功能。

用于电动汽车动态供电的多初级绕组并联无线电能传输技术

传统的电动汽车无线充电技术存在停车后充电、单次充电时间长、充电频繁等问题,严重影响电动汽车的续航里程。为此,该文重点研究一种基于多初级绕组并联方式的电动汽车公路式动态无线充电方法,利用分段导轨实现对行驶中电动汽车无线供电。首先,利用互感耦合模型对初级绕组并联耦合机构进行电路拓扑分析;其次,通过仿真分析获取所述耦合机构在能量传输过程中的物理特性及磁场强度分布特性;最后,研究了一种基于磁场强度检测的接收端定位方法,通过三轴磁传感器测量行驶方向的磁场强度,实现次级绕组的实时精确定位,测量周期为6 ms,分辨率为5 mG s。仿真和实验结果表明,所述磁耦合机构与传统单初级/次级绕组串并补偿结构相比,由于边界磁场强度增大,输出功率提高25%,传输效率提高7%。

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望

近年来,无线电能传输技术由于其独特的自身优势而受到了越来越多的关注。文中重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的发展动态与应用现状,介绍了磁耦合谐振式无线电能传输技术发展现状以及尚待解决的问题。详细阐述了无线电能传输技术的机理模型、关键技术、电磁环境、技术标准及相关应用中的瓶颈问题等。最后,在深入探讨当前研究热点的基础上,对该技术的发展动态进行了总结与展望。

多初级绕组串联的动态无线电能传输系统设计与特性分析

无线电能传输技术是一种安全、便利和自主的充电方式,动态无线电能传输是解决电动汽车续航里程短、车载电池成本高的关键技术。本文设计了一种新颖的能量分布式动态供电系统,高频逆变器连接多组开关控制的LC串联补偿可根据汽车位置自动分配能量。根据系统设计,推导了单线圈和双线圈系统效率和功率表达式,搭建了仿真电路和实验平台,分析了传输距离、移动距离、耦合角度及负载大小对系统传输性能的影响。实验样机的输出功率为3.3k W,工作频率为120k Hz,效率可超过90%,可为电动汽车提供连续供电。

无线电能传输技术发展与应用综述

二十一世纪以来,无线电能传输技术进入飞速发展阶段,相关的理论研究、创新实验以及应用推广都有了长足的进步,随着全球能源互联网的提出和构建,相关技术在未来会有更大的发展潜力和应用价值。本文从无线电能传输技术的发展历史出发,阐述了无线电能传输的诞生与发展;其次重点梳理了磁场耦合式、电场耦合式、微波式、激光式和超声式五种不同的无线电能传输技术在国内外近20年的关键研究动态;然后面向电力系统、交通运输、航空航天等领域,归纳展望了具体的应用场景;最后针对不同的无线电能传输技术分别讨论了各自面临的主要技术挑战。

动态无线电能传输系统多接收线圈正反串联结构的互感计算与优化

在磁耦合谐振式动态无线电能传输系统中,发射线圈与接收线圈之间的相对水平偏移距离将达到发射线圈边长的一半,此时线圈间互感波动非常剧烈,导致系统无法正常工作。为此该文提出了一种多接收线圈正反串联结构来减小互感波动率。首先,提出了一种矩形线圈互感计算方法,运用提出的互感计算方法,分析了该线圈结构的互感特性;其次,给出了一种互感优化方法,运用提出的优化方法,得到了满足设计要求的各线圈参数;最后,根据得到的线圈参数,研制了一套基于多接收线圈正反串联结构的无线电能传输系统,通过仿真和实验验证了所提结构与方法的正确性。结果显示,运用提出的结构,其线圈间的偏移距离在发射线圈边长一半范围内变化时,线圈间最大互感波动率仅为3.81%。

动态无线电能传输系统多目标粒子群优化方法

针对动态无线电能传输中互感波动导致功率和效率下降问题,本文提出了一种多参数、多目标优化控制方法,相较于单一目标优化方法,该方法实现了传输功率和线圈传输效率同步优化。首先,基于导轨式无线电能传输系统模型从原理上分析影响传输性能参数,建立了多目标优化数学模型;其次,传统多目标优化方法由于求解速度过慢导致无法适应频繁变化的动态工况,因此本文将该方法与粒子群算法结合,提升了优化方法的响应速度;最后搭建了仿真模型和实验样机对理论分析进行了验证,结果显示在10μH/s互感变化率下运动10 s后系统仍可以保持额定功率工作,且传输效率可以保持90%以上。

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。

基于双拾取结构的恒功率输出动态无线电能传输系统研究

为减小移动供电过程中的功率波动,提出一种基于双拾取耦合结构的动态无线电能传输系统。通过采用相互重叠的双拾取线圈,保证了2个拾取的互感平方和是一个与拾取位置无关的常数,并在双拾取线圈之间引入互感,补偿了移动过程中单个拾取的互感零点。推导每个拾取输出功率随等效负载电阻的变化规律,找出使系统输出功率恒定的等效负载电阻值,通过控制每个拾取的实际等效负载电阻,可以实现系统输出功率的恒定。最后,搭建实验平台,验证动态移动过程中系统恒功率输出特性。实验结果表明,在移动供电过程中,系统功率和电流在各个拾取之间平均分配,总输出功率的波动率为±2%。

考虑线圈参数变化的SS型动态无线电能传输系统参数优化设计方法

在自动导引车的动态无线电能传输(DWPT)系统中,由于载重变化导致的接收端高度变化是不可避免的。这会造成系统线圈参数(自感和互感)改变,进而影响系统增益平稳。为了在DWPT系统接收端发生垂直偏移时保证系统增益平稳,该文基于串联串联(SS)拓扑提出一种考虑线圈参数变化的补偿拓扑参数设计方法。通过建立考虑线圈参数变化的SS拓扑等效环路模型,分析系统增益与补偿参数的关系,确定补偿拓扑参数设计的约束条件与解空间范围。设计以输出电流增益平稳性与效率为目标的优化函数,基于粒子群优化算法提出一种SS拓扑补偿参数设计方法。所提方法在系统线圈参数变化的条件下,实现输出电流的稳定,且保有较高的效率。最后,搭建一套1kW的原理样机用于验证所提方法的有效性。实验结果表明:在设定的高度变化范围(20~80mm)内,耦合机构自感增加19.1μH、45.22μH,互感增加至2.4倍,系统输出电流最大波动率仅为3.55%,最高效率达96.52%。

无线电能传输系统阻抗动态补偿机理及实现方法

针对无线电能传输系统在过耦合区因耦合距离变化导致传输性能劣化的问题,为了以定频方式实现最大功率输出,提出通过调节初级回路内的2个平面螺旋线圈间广义耦合因子变量实现系统阻抗动态补偿的方法,并对阻抗动态补偿机理进行了研究。首先,以一个E类双管LLC谐振逆变电路为研究对象,采用电路理论建模并分析系统输出功率、传输效率与特性参数的相互作用机理,获得了系统输出功率特性曲线与传输效率特性曲线的变化规律,得到了2个补偿线圈之间的广义耦合因子对系统输出功率曲线和传输效率曲线的直接影响关系;其次,分析了阻抗动态补偿机理,给出了系统在定频工作方式下的具体实施方案;最后,通过实验验证了理论分析的正确性和有效性。

无线电能传输抗偏移的动态频率补偿设计

提出了动态频率补偿的设计方案,对线圈间距离与系统效率的关系进行了理论分析和公式推导,得出了线圈间距离与系统传输效率的函数关系。利用Maxwell软件对无线电能传输模型的线圈偏移情况进行仿真,对比频率补偿前后的结果,分析了频率补偿对线圈间偏移情况的改善作用。搭建了无线电能传输线圈偏移的实验验证平台,验证了无线电能传输抗偏移的动态频率补偿设计方案,通过频率调节可使已发生线圈偏移的系统效率有效提升。实验结果与仿真和理论推导数据相符合,证明了所提方案的正确性与可行性。

一种传输时限下认知无线电网络的动态广播策略

在具有传输时限要求的认知无线电网络中,次用户需要机会式地在给定传输时限内使用无主用户占用的信道广播消息。针对此场景,文中提出一种新的传输时限下认知无线电网络的动态广播策略,允许各等待发送数据的次用户根据每个时隙载波侦听的观测、传输时限剩余时间和主用户占用信道模型实时调整发送概率。首先基于马尔可夫决策过程获得一种载波侦听理想观测假设下的最优策略和最大网络可靠性;然后据此提出一种适用于载波侦听实际观测能力的启发式策略,并通过马尔可夫决策过程建模获得此启发式策略的网络可靠性。仿真结果验证了理论分析的准确性,同时表明所提出的启发式策略的可靠性非常接近理想观测下的最大可靠性,并且明显优于最优静态策略的网络可靠性。

一种双拾取动态无线电能传输系统控制方法研究

为提高动态无线电能传输系统的控制速度并保证移动供电时的电压稳定性和高效率,提出了一种基于双拾取耦合结构的互感估计控制方法。通过建立系统电压和输出功率的数学模型,分析了最优控制占空比与互感以及每个拾取电路等效串联电阻的关系,给出了一种通过直接计算占空比的闭环控制方法。在与发射端无通信连接的情况下,该控制方法能够提高拾取端电路的控制速度,且可以同时实现恒压输出与效率优化。实验结果表明,采用该控制方法的动态无线电能传输系统,在移动时负载侧输出电压能够保持恒定,输出电压的波动率为±0.988%,系统最高效率达93.18%,实验证明了所给出控制方法的有效性。