感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法

大功率感应电能传输系统通常采用多并联拾取模块结构。然而,多并联拾取模块参数不一致,会导致各个拾取模块的电流和输出功率不均衡,从而降低系统效率,严重时会因模块过流而造成系统故障。为解决该问题,文中提出一种基于并联拾取模块补偿电容器的多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法。首先,介绍了传统感应电能传输系统与所提出的感应电能传输系统拓扑的特性。然后,分别分析了互感、拾取线圈自感及内阻对电流分布和系统效率的影响。最后,通过4个并联拾取模块的感应电能传输系统实验平台验证了所提方法的有效性。实验结果表明,采用所提方法时多并联拾取模块的电流和输出功率基本一致,并且相比传统感应电能传输系统,系统效率最高提升了2.21%。

基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法

在感应电能传输(IPT)系统中,线圈错位难以避免,造成的耦合变化会导致系统的传输功率不稳定。为了保证IPT系统的供电灵活性,系统需具有容忍线圈宽范围偏移的能力。为此,该文借鉴模态切换的思想,提出一种基于钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统,用于增强系统抗偏移性。与传统多模态切换的IPT系统相比,该系统中的钳位电路可根据耦合变化自适应地导通或关断,以调节工作模态,从而实现近乎恒定的功率输出,该方法无需耦合识别、输出检测及反馈通信等辅助手段。该文对系统不同工作模态的功率传输特性进行了推导和分析,并结合系统设计相关约束条件,提供一套参数化设计方法。最后设计并搭建一套500 W的实验装置,验证了理论分析的正确性与可行性。实验结果表明,该方法在耦合度为0.205~0.42的情况下,输出功率稳定在470~505 W之间,效率为83.29%~90.21%。

基于多目标优化理论的耦合无关恒压输出型LCC/S补偿感应电能传输系统

基于传统完全谐振参数设计方法的感应电能传输(IPT)系统只有在发射线圈和接收线圈完全耦合时才能表现出最佳性能。实际的IPT系统多为变耦合系统,耦合系数变化可能导致输出电压大范围波动和效率降低等问题。该文提出一种基于多目标优化理论的补偿拓扑参数设计方法,在耦合系数和负载变化的情况下仍然可以获得相对恒定的输出电压且能够高效运行。首先,利用基波近似分析法建立LCC/S补偿IPT系统的系统方程。其次,以补偿参数为优化变量,以减小输出电压波动、提升系统效率为优化目标,以电感最大通过电流、电容最大承受电压和零电压开关为约束条件建立多目标优化模型。然后,利用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解所建立的多目标优化模型,并得到Pareto最优解集。最后,根据实际需要,从Pareto最优解集中选择合适的补偿方案,并进行仿真分析和实验验证。实验结果表明,优化方案的电压波动率(VFR)约为传统方案的45%,且优化方案的最低传输效率(87.5%)仍大于传统方案的最高传输效率(86.3%)。该方法可用于优化满足耦合和负载无关恒定输出、高效率、零电压开关等特性的补偿拓扑。

具有抗偏移恒压输出特性的复合式双频感应电能传输系统研究

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统的线圈偏移难以避免,导致系统输出电压平稳性下降。由于全桥逆变器产生方波电压,使谐波难以完全消除。为利用谐波提升系统抗偏移能力,该文设计一种基于基波-谐波并行传输的复合式双频IPT系统,耦合机构接收端选取双极性结构线圈以消除副边线圈间的交叉耦合,结合系统参数设计方法使系统在耦合机构发生偏移的情况下实现自适应恒定电压输出,该系统耦合机构采用单发射双接收结构,较传统基波-谐波并行IPT系统采用双发射双接收的结构所用线材更少,且无需复杂反馈控制。最后,搭建一个200W原理样机验证所提方法正确性和有效性,耦合机构横向偏移33%,同时负载在24~40Φ变化时,系统输出电压波动始终保持在5%以内。

一种双初级线圈并绕的感应电能传输系统及其功率分配方法

传统的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统只含有单个逆变电源与单个初级线圈,由于受到功率器件的容量限制,较难满足轨道交通非接触供电等大功率应用的要求。为增加IPT系统的输出功率,该文构建了基于双初级线圈并绕的IPT系统,通过初级线圈产生磁场的叠加,实现IPT系统大功率输出。利用互感耦合理论对此系统进行详细分析,发现此结构不但需要补偿各初级线圈的自感,而且还需要额外电容补偿两初级线圈间的互感。研究表明,通过选择合适的额外补偿电容值,不仅能使各逆变器工作在谐振状态,还可以有效分配两逆变器的输出功率,达到合理分配两逆变器输出容量的目的。建立输出总功率为1.4 k W的实验系统,验证了两逆变器输出功率比为1:1和1:2的工况。这种基于双初级线圈并绕的IPT系统具有结构简单等优点,可望在轨道交通非接触供电系统等大功率场合中得到应用。

非接触感应电能传输系统松耦合变压器参数设计

松耦合变压器是非接触感应电能传输系统中的关键部分。在简要介绍松耦合变压器的基本结构和工作原理的基础上,提出了松耦合变压器的互感等效电路模型。根据松耦合变压器的特点,分析了铁芯材料、绕组位置、气隙大小对变压器耦合系数的影响。同时,针对原、副边漏感的特性,进一步讨论了变压器原、副边电路补偿问题。最后给出了非接触感应电能传输系统中松耦合变压器的耦合系数、网络补偿等几个重要参数的设计方案。

LCL型双向感应电能传输系统建模及控制

由于双向感应电能传输(IPT)系统存在高频开关网络以及较多的工作模态,易引入高次谐波和EMI干扰,LCL滤波网络的加入,可以有效滤除导轨电流中的有害谐波并减小EMI干扰,通过对电路交流变量进行复数分析,建立了系统关于传输功率的数学模型,并由此得出,在最大传输效率条件下,原边输入电压Upi与副边输出电压Uso的相角差δ为±90°,系统能量分别正、反向传输;传输功率的大小则可通过调节Upi或Uso的模来实现。在此基础上,为保证导轨电流恒定,在原副边设计了相互独立的移相控制策略。仿真和实验结果表明,该控制策略在调节原边导轨电流恒定的同时,能根据负载的工作状态和实际需求,动态地改变能量传输的方向和大小,有利于提高系统的运行效率。

CLC谐振型感应电能传输系统的H_∞控制

CLC谐振型感应电能传输系统较传统的LC谐振型系统具有更大的谐振容量和更小的频率漂移,但由于系统的高阶及多周期点特性,对CLC型系统的控制更为困难。为实现CLC谐振型系统的输出鲁棒控制,将系统状态变量及非线性开关函数进行频域线性化,通过平衡点变换,得到平衡点附近的广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)扰动模型。建立了系统的H∞控制系统结构,提出GSSA模型误差扰动有界定理并给出了证明。给出了相应的H∞扰动控制律,并通过仿真及实验结果验证了该模型及控制方法的有效性。

基于最小二乘法的感应电能无线传输系统负载辨识方法

基于最小二乘法提出一种新型负载辨识方法,以PS结构电流型感应电能传输(IPT)系统为例,建立其非线性高阶微分方程并构建数据矩阵,通过最小二乘法获得系统的过程参数矢量,将负载辨识问题转换为系统参数辨识问题,完成系统的负载辨识,最后通过仿真及实验,验证了此方法的可行性。

感应电能传输系统输出电压调压电路研究

感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)系统的输出电压受原边电流、线圈间距、谐振参数、负载等影响。为了让系统输出稳定的电压,提出一种应用于IPT系统副边的调压电路,利用IPT系统不同副边拓扑输出特性的不同,结合并联型与串联型拓扑的特点,在交流侧实现输出电压的调节。首先通过基波近似法求得系统等效阻抗与占空比的表达式,在此基础上求得输出电压与占空比之间的关系。然后对电路进行了简化,分析了无需使用双向开关的简化电路的输出特点。最后通过仿真验证了电路的有效性。

松耦合感应电能传输系统的设计

在建立感应电能传输系统互感模型的基础上,结合设计的小功率感应电源试验平台,分析了如何选择该系统的补偿拓扑和谐振频率.根据分析结果搭建了感应电源试验平台,并且通过实验,证明了该系统在额定负载下的输出功率最大.

复合谐振型感应电能传输系统分析及参数优化

针对感应电能传输系统因互感变化引起传输功率与效率降低的问题,设计了一种复合谐振结构,并给出一种改进的遗传算法对该结构进行参数优化。在分析传统谐振网络拓扑的基础上,给出一种复合谐振网络以提高互感变化时的传输功率与效率特性。以传输功率和效率最大为目标,建立了该结构的非线性规划数学模型,采用非线性单纯体法和混沌初始化混合方法来产生优良的初始种群,对目标和约束进行二次归一化后,利用可行性规则选择优良个体,并采用混合变异提高算法的全局搜索能力。最终优化结果与实验表明,改进后的算法能较快地找到全局最优参数,且参数结果优良,在互感大范围变化时能保持较高的传输功率及效率。

双发射线圈感应电能传输系统的小信号建模及控制研究

双发射线圈的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统能够实现有效分配两逆变器的输出功率,是提高电源侧输出容量的有效手段。该文分析了功率输出1:1工况下的双发射线圈的IPT系统的动态特性,旨在通过IPT系统的小信号模型求解合适的数字PI控制器,提高负载电压动态响应特性,同时保证闭环系统具有充足的稳定裕度。首先,利用广义状态空间平均建模方法对IPT系统进行大信号模型及稳态工作点的分析。在此基础上,建立描述在IPT系统的输入受到扰动状态下的小信号模型。然后,借助Matlab中PIDtool工具箱设计合适的PI控制器参数,提高IPT系统负载电压响应性能,同时验证了闭环小信号模型具有充足的相角稳定裕度。最后,将闭环小信号模型分别与Simulink仿真模型、实验系统进行变电压动态响应对比,IPT系统的负载电压响应时间在13ms左右,与理论设计值相符,证明闭环小信号模型能准确描述系统动态响应。

基于最优等效负载控制的感应电能传输系统效率优化方法研究

基于二极管整流的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统,其系统效率会受到负载变化的影响。为了提高在不同负载情况下IPT系统的效率,提出了一种基于半控整流桥的控制方法。详细分析了串–串补偿型IPT系统负载与效率的关系,得到了最大系统效率所对应的最优交流负载电阻;采用半控整流桥控制整流桥交流等效电阻恒为最优交流负载电阻。同时,逆变桥通过原副边之间的通信对系统输出进行恒压控制。最后搭建了实验平台,并在不同负载情况下验证了该控制方法的有效性。在1k W额定输出功率下,系统直流到直流的总效率为89.8%。所提出的优化方法相对于二极管整流方式提高了系统效率,特别是在系统轻载情况下。当输出功率为300W时,传统整流效率只有64%,而所提出算法为78.5%,系统效率提高了22%。

感应电能传输系统死区开关特性的研究

目前,在寻求最大功率输出的控制方法中,通常采用变频方式使系统工作在谐振点附近。然而,对于大功率感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统来说,开关管的工作频率较低,死区时间相对较长,如果控制不当,会在谐振点附近的死区范围内出现电压与电流波形畸变,极易造成开关管的损毁,导致系统停机,从而降低了系统的稳定性能。因此,首先研究在高频逆变电压超前、滞后于原边谐振电流以及谐振点附近情况下谐振变换器的开关特性,分析产生电压与电流波形畸变的机理,通过理论推导给出避免波形畸变的运行条件。最后,通过相位滞后控制策略稳定系统的输出,并搭建25 kW、气隙20 mm的大功率IPT试验平台,通过试验验证理论分析的正确性。

用于感应电能传输系统的新型软开关电路

为了降低开关损耗、减小系统体积,提出了一种用于感应电能传输系统的新型软开关电路,其一次逆变环节仅用1个开关管来控制线圈的充能与谐振,开关管的导通与关断均在零电压的条件下完成。以二次串联电容补偿拓扑为例,利用松耦合变压器模型及微分方程精确分析了参数之间的关系,建立了系统的非线性规划模型,采用带精英策略的快速非支配多目标遗传算法来优化模型参数。为了提高算法的寻优性能,利用猫映射混沌模型改进算法的初始值产生方式,以得到分布更均匀的优良初始种群。利用优化的参数对系统进行仿真及实验,结果表明:开关管能够稳定工作于软开关状态,系统参数达到了最优配置,各波形谐振良好,频率稳定。该电路及改进的算法可行且有效。

基于双拾取线圈的感应电能传输系统研究

传统的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统利用单个拾取线圈实现能量传输,受副边半导体器件的容量限制,单个拾取线圈无法满足轨道机车等大功率移动负载(兆瓦级)需求。该文通过建立基于双拾取线圈的IPT系统以提高IPT系统的传输功率。论文利用电磁耦合理论分析双拾取线圈间的互感影响规律,并详细对比分析了考虑拾取线圈间互感前后IPT系统的工作指标。分析表明,考虑线圈间互感时的设计参数,能使IPT系统工作在谐振状态,且显著提高重载时IPT系统的输出功率和工作效率。通过建立双拾取机构IPT实验系统并保持原边恒流15 A,验证所提出方案的可靠性以及有效性。实验结果表明,相对于不计及互感影响方案而言,加入附加电容后,重载时(1.8Ω直流负载)IPT系统的输出功率和效率分别提高了82%和6%。

LCL谐振型感应电能传输系统软开关方法研究

LCL谐振型感应电能传输(IPT)系统由于受到副边反射阻抗的影响,系统的软开关频率会随着负载的变化而发生漂移,甚至出现消失的情况。针对上述问题,利用互感耦合建模分析方法,研究了LCL谐振网络的参数匹配,得出了使系统存在软开关频率点的参数边界约束条件,并利用数值方法研究了系统在变负载情况下的频率特性。基于理论分析,提出了一种自激振荡反馈式频率跟踪方法,可以使逆变器的工作频率跟踪系统的软开关频率,搭建了实验系统对理论分析和频率跟踪方法的有效性进行了验证。

适用于家电的感应电能传输系统频率稳定性

将感应电能传输(IPT)技术应用到家电领域,实现了家电设备的无线供电。基于频闪映射建模方法和周期不动点理论,建立了系统的工作频率和输出功率模型,由此分析出谐振网络参数对频率稳定性的影响规律。基于此提出了使工作频率自然达到相对稳定的谐振网络参数的设计流程。仿真和试验结果表明:当家电负载拾取端移除、切入或功率容量变化时,用此参数设计流程设计的IPT供电系统具有良好的频率稳定性。

感应电能传输系统能量注入控制方法研究

针对感应电能传输系统的输出控制,利用原边逆变电路的能量注入模式及自由谐振模式,提出一种基于双工作模式切换的能量注入调节方法。该方法建立了谐振网络能量函数以刻画系统中能量平衡关系,并以能量注入、能量储存及能量耗散三者关系,提出了基于能量注入占空比的系统控制策略。该控制方法从能量角度实现控制,有效地避免了该非线性系统的复杂建模及控制设计过程,实验结果验证了该方法的有效性。