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%。

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。

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%。

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。

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。

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。

不同拾取端的动态无线电能传输系统研究

为研究不同拾取端对动态无线电能传输系统的影响,首先使用诺以曼公式对互感进行数值分析,以探究耦合机构互感的变化对系统的传输效率和拾取端电压影响;再通过等效电路模型与基尔霍夫方程式,建立动态无线电能传输系统的数学模型,提取出系统传输效率与品质因数、耦合系数、负载和邻近线圈电阻值的关系式;最后通过制作不同拾取端的耦合机构,包括单线圈、串联式和并联式,在动态中对系统传输影响的分析。分析与实验结果相符,证明本文结论的有效性。

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%。

面向教学的磁耦合谐振式无线电能传输系统研究

围绕电路分析与测量实践教学,研究了一套兼具挑战性和展示度且适合低年级本科生自主探索的无线电能传输系统设计方法。该方法将复杂传输问题进行有效简化,聚焦电路及磁场分析,在各个环节中将理论分析、仿真分析与实验探究相互结合,做到理论结合实际。并开发了一套灵活方便的计算线圈电感工具和电力电子逆变模块,能够较好地满足实际教学的需要,支撑本科生自主设计搭建系统并展开研究。通过该方法和相应研发的工具,学生可自主设计一套兼具挑战性和展示度的无线电能传输系统,有效培养学生的电路分析与设计能力以及解决实际问题的能力。

基于Comsol Multiphysics的无线电能传输系统匝间短路故障有限元分析方法

针对实际应用中,无线电能传输系统线圈绝缘损坏造成匝间短路,进而对系统性能造成影响的问题,利用Comsol Multiphysics有限元法建立平面螺旋型无线电能传输系统,参数化短路点,分析发射线圈发生不同匝数短路、不同位置短路时,发射线圈和接收线圈间耦合系数和空间磁场分布的变化。结果表明:随着短路匝数比的增加,线圈的自感、线圈之间的互感会逐步降低,但是发射线圈与接收线圈之间的耦合强度却呈现出增加的趋势,这将导致串-串拓扑结构的无线电能传输系统的输出功率迅速下降;当发射线圈的短路位置从内圈向外圈移动时,耦合强度会先降低后增加,因此串-串拓扑结构的无线电能传输系统的输出功率会先增加后减小。

宇称-时间对称电场耦合无线电能传输系统电场分布特性研究

电场耦合无线电能传输ECPT(electric-field coupled wireless power transfer)系统具有耦合极板轻便、跨金属传能、涡流损耗可忽略等优点。其中,宇称-时间对称电场耦合无线电能传输PT-ECPT(parity-time symmetric ECPT)系统具有在耦合极板间距发生变化时保持恒定输出的特性,具有广泛的应用前景。基于此,研究了PT-ECPT系统的电场辐射分布。理论分析、仿真及实验结果表明,在强耦合区域且输出功率相同的情况下,PT-ECPT系统的电场分布在耦合系数较小时比传统的谐振式ECPT系统更为集中,使得PT-ECPT在小耦合系数时安全性更高。

用于动态无线电能传输的新型线圈结构设计

为改善动态无线电能传输(dynamic wireless power transfer,DWPT)过程中,因发射阵列之间摆放间距过大而产生的输出电压和输出功率的波动问题,提出一种新型发射结构。首先,在BPP(bipolar pad)线圈结构基础上,将主发射(domination transmitter,Dtx)线圈与补偿(compensation,Cx)线圈串联组成一个发射段,并对DWPT系统采用分段控制,以减小损耗;其次,采用解耦电容解耦Dtx线圈与Cx线圈,并分析了系统的电路原理;然后,利用Ansys Maxwell有限元分析软件对耦合结构进行优化设计,并选择最佳的切换位置,以减小功率的波动;最后,搭建实验平台以验证结构的可行性。实验结果表明:新型磁耦合结构输出功率的波动为3.9%,输出电压的波动为2.9%,与改进前的耦合结构相比,输出功率的波动降低了15.8%,输出电压的波动降低了7.6%;在相邻Dtx线圈的过渡区域中,与改进前的耦合结构相比,输出功率提高了33.8%,且系统传输效率稳定在88%左右。所提出的新型发射结构有助于减小移动过程中输出电压和输出功率的波动,可为磁耦合结构的设计与应用提供理论支持。

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。

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。

适用于无人机机巢的恒功率无线电能传输系统

基于磁耦合谐振式原理提出了一种适用于无人机机巢的无线电能传输系统。该系统采用串联-串联型谐振网络,通过输出功率预测算法和恒功率闭环控制实现恒功率无线供电。与现有的无线电能传输系统相比,无需额外的DC-DC变换器,仅用简单的控制方法就能实现恒功率输出,减少了系统的硬件成本和控制复杂性。最后,设计了一个20W,887kHz的实验平台,实验结果验证所提控制策略的有效性。

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%。