自主水下机器人水下接驳插拔传输与无线感应传输研究现状及对比分析

水下对接传输技术作为自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,简称AUV)水下能源补给及数据传输的重要方式,受到国内外的重点关注,目前采用的水下对接传输方式主要分为接驳插拔传输及无线感应传输。在探究国内外AUV水下对接研究概况的基础上,归纳、总结以上两种传输方式的研究现状,分析对比其在对接传输效率、发展限制因素、对接控制技术等方面的区别。通过分析发现,接驳插拔传输在传输效率及功率方面具备优势,无线感应传输则具有更高的简易性、经济性。此发现为不同作业需求下传输方式的选择提供了基础。通过技术发展限制因素对比得出,在未来技术发展方向上,接驳插拔传输技术需提升系统稳定性、灵活性及费效比,无线感应传输需解决能量损耗、系统鲁棒性及涡旋损耗等问题。对两种传输技术未来发展前景及方向的预测,能够为AUV水下传输的发展提供重要参考。

感应式无线电能传输系统抗偏移技术研究综述

无线电能传输(wireless power transfer,WPT)的应用初衷是为了让供电更加灵活方便,倘若系统的抗偏移性能不足,则难以满足实际应用的需求,因此抗偏移技术一直都是WPT系统研究的热点。文章综述国内外感应式WPT系统抗偏移技术的研究现状。首先,概述标准中关于偏移的定义和要求,介绍研究抗偏移技术的主要团队;其次,分析线圈偏移对系统输出性能的影响规律,并列出不同类抗偏移的技术手段;接着,重点介绍不同种类抗偏移技术的基本原理和主要研究成果,并指出不足之处;最后,论述抗偏移技术的未来研究方向。

基于S/SP补偿拓扑的强抗偏移感应式无线电能传输系统

针对感应式电能传输(inductive power transfer,IPT)系统偏移造成输出电压不稳定和效率低下的问题,提出一种强抗偏移的S/SP补偿IPT系统,该系统在变耦合变自感和变耦合不变自感两种情况下均能保证较小的输出电压波动和较高的传输效率。首先,基于Maxwell有限元仿真,分析罐型磁心松耦合变压器的磁通分布和磁场分布特性,总结不同方向偏移的参数变化规律。然后,提出一种提高系统抗偏移能力的S/SP补偿参数设计方法,得到相应的磁耦合机构设计准则,并结合磁仿真数据,通过数值计算方式求得系统输出波动和输入阻抗角的变化规律。最后,通过实验验证文中采用罐型磁心和新型S/SP补偿拓扑实现多方向偏移下高效率、低波动无线电能传输的可行性。在额定负载下,系统沿纵向和水平方向偏移的输出电压波动分别为2.7%和3.1%,传输效率维持在90.8%~94.3%。

水下航行器感应式无线电能传输技术研究综述

感应式无线电能传输技术(inductive power transfer,IPT)为水下航行器长时间连续工作的电能补给问题提供了有效的解决方式,具有很好的应用前景。文中分别从理论和应用研究两方面对水下IPT技术的研究热点问题进行讨论,主要包括海水涡流损耗计算、系统建模、磁耦合机构设计和抗偏移系统设计。最后,从深远海环境适应性、系统互操作性、电能数据混合传输及系统级优化设计4个方面探讨该技术未来可能的发展趋势。

基于线圈定位与电容阵列的感应式无线电能传输系统调谐控制

在实际应用中,感应式无线电能传输系统通常存在耦合线圈错位的复杂工况,影响系统的传输功率和效率。基于线圈定位与电容阵列提出一种适于S/SP补偿网络的调谐控制策略,在错位失谐工况下,主动利用原、副边线圈的位置信息,优化系统特性。为了量化系统的输出电压波动,建立了S/SP补偿网络在全工况下电压增益曲线的计算模型。进而为确保错位工况下系统的恒压输出特性,在给定的耦合系数变化范围和输出电压波动指标内,给出了电容阵列切换级数和容值调节步长的最优设计,并与传统定电容补偿进行对比。最后,通过一台800 W输出的原理样机对所提策略的有效性进行验证。验证结果表明,采用所提调谐控制策略,可以显著提高系统的输出功率与效率,并大幅降低其输出电压波动。

具备恒压特性的SP/S感应式无线电能传输系统

在感应式无线电能传输系统的实际应用中,通常需要系统输出电压保持恒定。采用一种基于串并/串(SP/S)谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构,当系统发射端和接收端的相对位置确定并采用定频控制时,该结构在全负载范围内具备接收端输出恒压特性。同时分析了随着横向偏移的变化,系统输出恒压增益的变化特性。最后,设计了一个6.6 k W、20 k Hz定频控制的感应式无线电能传输实验系统,验证了所采用的SP/S谐振补偿拓扑结构的可行性和有效性。

采用同轴相位检测线圈的感应无线电能传输系统谐振调节技术

在感应无线电能传输系统(inductive wireless powertransfer,IWPT)中,常采用谐振电路保证系统以最大功率和最大效率传输电能。受到系统参数变化的影响,IWPT系统容易发生谐振频率偏移,需借助有效的谐振点检测技术和谐振调节装置实现电路谐振调节。针对副边线圈感应电压难以检测,无法通过副边感应电压电流相位判定副边电路谐振的问题,该文首先设计了基于同轴相位检测线圈的副边电路谐振点检测方法,并对该方法的原理进行了详细分析。然后构建了一种基于同轴相位检测线圈和相控电容器的副边电路谐振调节控制方法,并根据该方法搭建了实验平台。实验结果表明应用该文的调谐方法后,系统传输功率和传输效率均有提升。特别是在原边线圈恒流有效值11A条件下,系统负载输出功率从508.92W增大至577.41W,原边直流电源至负载的总体效率从85.24%提升至88.98%,验证了同轴相位检测线圈用于副边电路谐振调节的可行性。

饱和电抗器LCL补偿感应式无线电能传输系统谐波特性分析

针对LCL-S拓扑补偿的感应式无线电能传输系统,分析其频率分叉特性,获得了次谐振点频率的特点。通过设计感应耦合功率传输(ICPT)系统的参数能够消除频率分叉,提高系统的稳定性。得到了一般固有谐振点工作时,系统的输出功率较次谐振点的输出功率低的结论。为提高ICPT系统的可控能力,提出一种一次侧采用直流可控饱和电抗器的LC复合谐振网络的ICPT电路,基于互感模型和电路理论,详细分析输出电压的特点。以方波脉冲作为系统电源,饱和电抗器产生的高次谐波电流经过补偿网络能够传输到负载,提高系统传输功率。利用有限元软件建立饱和电抗器模型进行仿真,搭建实物样机系统进行实验,仿真结果和实验验证了理论分析的正确性。

电磁感应式无线电能传输系统变参数条件下补偿网络研究综述

电磁感应式无线电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)技术是无线电能传输技术中研究起步最早、实用化与商业化进展最快、目前应用范围最广泛的技术路线。然而影响其实用性的一个重要问题是负载及耦合敏感问题,如何提升变耦合或负载条件下ICPT系统的输出稳定性一直是研究的焦点问题。而补偿网络能够降低系统的无功功率,提高系统的能量传输效率与带负载能力,且对补偿网络进行合理的拓扑设计与参数优化设计能够使得系统具备耦合、负载无关等特性,因而对变参数条件下ICPT系统补偿网络的研究能够增强ICPT技术的实用性。文中总结变参数条件下ICPT系统补偿网络相关研究,按照负载无关型、耦合无关型、耦合负载均无关型的分类对其拓扑设计方法与参数优化方法进行归纳与整理总结,并探讨其未来的发展方向。

基于扩频的大功率无线充电EMI抑制研究

感应式无线电能传输(IPT)是电动汽车、移动机器人等中高功率无线充电应用中最受欢迎的解决方案。然而,大功率无线电能传输系统存在宽频带电磁干扰(EMI)问题,影响周边电子设备的正常工作。因此,高功率无线电能传输系统必须采取有效的EMI抑制方案。此处提出了一种通过电力电子电路实现无线扩频传输的方案,从源头上抑制了EMI的峰值幅度,从而降低EMI对周围设备的影响。该方案无需增加额外设备,可在一定范围内降低传统EMI问题的困扰。最后,通过搭建实验平台,验证了所提方案的可行性和优越性。

双边LCC感应耦合式无线电能传输系统的稳定性分析与效率优化设计

双边LCC感应耦合式无线电能传输系统的软开关特性易受系统参数扰动影响。为提高系统零电压软开关的稳定性,该文推导系统等效输入阻抗角模型和效率模型,对系统多拓扑参数进行扰动分析,并研究负载变化对系统等效输入阻抗角和效率的影响,给出关键参数配置方法。搭建一台工作频率为86kHz、输出功率2kW、传输距离15cm的实验样机验证了理论分析的正确性。仿真和实验结果表明,该方法具有较好的负载适应性。

实现效率优化的无线电能传输系统双侧多周期不对称电压激励方法

在宽功率范围内实现高效功率传输是无线电能传输系统的基本要求。为提升全功率范围下无线电能传输系统的效率,该文提出了一种双侧多周期不对称电压激励方法。该方法在一、二次侧采用一种具有多个周期的不对称激励电压波形,当系统需要降功率运行时,根据功率大小对构成多周期激励电压波形的各个半周期脉宽依次进行缩减。同时,通过调节二次侧激励电压波形相对于电流波形之间的位置关系,实现宽功率范围内的开关器件零电压开通。通过各个半周期脉宽随功率降低依次缩减的变化模式,使激励电压相位差随功率的逐渐降低而出现多次回归至峰值的非单调变化特性,平抑了宽功率范围内激励电压相位差的波动幅度而将其维持于较高值,进而实现宽功率范围内的效率提升。实验结果表明,所提方法在宽功率范围内的效率不低于传统方法的效率,在大部分功率点的效率高于传统方法的效率。所提多周期不对称电压激励方法无需任何额外硬件电路,可在宽功率范围内实现效率提升。

感应式和电场式结合的无线电能传输系统研究

介绍了一种感应式(IPT)和电场式(CPT)结合的无线电能传输系统,该系统具有抗偏移能力强,传输功率高的优点,同时存在耦合器的设计比单独的IPT或CPT系统复杂,它们的尺寸和距离都受到相互制约的问题。为解决上述问题,提出了一种外加可调电感来改变感应式和电场式传输功率比的方法,能更加简便地实现不同功率比的系统。基于LCCL补偿的系统,设计了一个感应式和电场式传输功率比为3的结合系统,并验证了其可行性。

磁感应耦合无线电能传输系统控制与效率研究

以全桥逆变器拓扑的磁感应耦合无线电能传输系统为例,提出了一种控制系统工作频率的方法。通过采样二次侧输出电压,经PI调节器输出频率信号,反馈给一次侧改变系统的工作频率进而控制系统输出电压和功率。同时分析系统谐振网络输出功率、效率与系统工作频率和松耦合变压器互感的关系,进而确定松耦合变压器参数与系统频率工作范围。最后进行试验验证,试验结果与理论计算基本上一致,验证了理论分析的可行性。

感应式无线电能传输系统谐波特性研究

感应式无线电能传输系统在超出一定负载范围时,将进入断续工作模式,基于基波近似法得到与负载无关的输出增益特性将不再满足,本文针对S-CLC型复合补偿拓扑,采用谐波分析法建立系统数学模型,给出整流侧电压/电流的谐波表达式,揭示波形发生畸变断续的主要原因。针对该补偿拓扑带载能力弱,提出了一种通过增加反向输入阻抗的高次谐波比例来提高输出增益的负载敏感度。搭建样机进行实验,结果验证了理论分析的正确性。

感应耦合式电能无线传输发展及其亟待解决的关键问题

当前阶段,感应耦合式电能无线传输有着十分广阔的发展空间,但同时其发展应用也面临着一系列极具挑战的问题。加之,感应耦合式电能无线传输模式及相关内容在我国的研究仍然处于空白阶段,发现其中存在的关键问题,为未来的研究指明方向是十分重要,也是十分必要的。本文就针对感应耦合式电能无线传输发展及其亟待解决的关键问题进行了简要的探讨分析,通过积极发现其中存在的问题,探寻有效的应对解决方案。

磁感应耦合式无线电能传输系统效率分析及控制策略研究

磁感应耦合无线电能传输是无线电能传输方式的一种,该技术日趋成熟,已经被应用于许多行业,如电动汽车、电子产品、医疗设备、工业设备等行业。介绍了几种传统的无线电能传输方式的工作原理,并对比了这几种传输方式的优缺点。介绍了松耦合变压器的结构,并分析了不同补偿方式下,单补偿网络与双补偿网络拓扑的优缺点,进而确定试验中原、副边均采用串联补偿电容的拓扑结构。考虑变压器线圈内阻,计算谐振网络传输功率和效率与松耦合变压器互感值和系统工作频率之间的变化关系,再根据变化规律选择合适的工作频率和变压器互感值。对系统进行化简建模分析,搭建系统仿真模型,通过仿真验证了整个系统设计的可行性。

多负载无线电能传输系统的稳定性分析

多负载感应式无线电能传输系统由于加入了谐振补偿拓扑,可能存在多谐振点,从而导致系统频率控制中的不稳定现象。为此,本文重点研究了多负载无线电能传输系统的稳定工作条件。本文利用互感耦合模型获得了多负载系统次级侧到初级侧的等效反映阻抗;为了保证最大功率传输能力,获得了初、次级系统谐振频率一致时的初级谐振电容值;最后,根据多负载系统初级侧存在唯一零相角谐振点的条件,得到了多负载系统的稳定条件:当所有初、次级绕组之间的耦合系数的平方和与次级系统品质因数满足稳定条件时,系统工作在稳定区域,仿真分析验证了理论的正确性。

基于LCC的磁谐振无线电能传输发射端补偿技术

为实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大化功率传输,提升整机效率,提出了一种基于LCC三阶补偿网络结构的保持发射端线圈电流恒定的方法,此方法不受接收端反射阻抗影响,实现了电磁感应式无线电能传输(ICPT)系统发射端与接收端解耦设计。同时,提出了LCC补偿网络的数学模型及其参数设计方法。在不增加元件的情况下,采用LCC网络的输入基波电流补偿LCC网络的输入高次谐波电流的方法,在功率管关断瞬间,降低通过功率管的电流瞬时值,实现了高频逆变器的零电流关断,减小了功率管的开关损耗和开关应力,提高了ICPT系统的整体效率。最后,对所提方法进行了仿真分析和实验验证。仿真和实验结果验证了所提模型和参数设计方法的正确性和可行性。

基于临界导通模式的单位功率因数感应式非接触电能传输系统接收端参数设计方法

现有电磁感应式非接触电能传输(ICPT)系统单位功率因数电能接收端参数设计过程需要反复仿真迭代、设计过程较为繁琐。为解决上述问题,提出一种近似解析法求解单位功率因数ICPT系统接收端参数设计方法。在分析临界导通模式(CRM)LCL谐振变换器激励下整流桥工作状态的基础上,采用微分方程建立了LCL谐振变换器的输入电压、电流的数学模型。并利用LCL谐振变换器并联谐振电容的基波电压对其实际电压进行近似处理,给出交流侧接CRM LCL谐振变换器的整流电路等效电感和等效电阻计算方法。进而提出CRM LCL谐振变换器的参数设计方法,使得CRM LCL谐振变换器工作在接近单位功率因数状态。最后,搭建2k W ICPT系统原理样机,通过实验验证了所提方法的可行性和正确性。