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。

电流型电场耦合无线电能传输技术

为了提高电场耦合式无线电能传输网络的输出稳定性,提出一种电流型电场耦合的无线电能传输网络。通过设计耦合电容之前的阻抗变换网络,能够在固定的工作频率,及在负载和耦合电容允许的变化范围内,使耦合电流近似与负载和耦合电容无关,从而避免了相对复杂的频率跟踪技术。在接收端,通过设计磁耦合式阻抗变换电路,既可实现电压型输出,又可实现电流型输出,以满足不同负载需求。在合理假设下,建立分析模型,得出主要参数的设计方法。通过仿真和实验,验证网络的工作原理和设计的正确性。

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。

磁耦合谐振式无线电能传输功效优化研究

针对磁耦合无线电能传输系统中谐振回路参数配置困难,出现传输效率与输出功率难以兼顾的问题,以同时提高系统输出功率和传输效率为目标,通过对影响系统功效的传输频率、传输距离、负载阻值进行研究,构建了多目标优化模型,采用改进型多目标灰狼优化算法对模型进行求解,并通过模糊综合评估法对Pareto解集进行质量评价,得到可以满足使用需求的系统输出功率和传输效率参数值最优解。仿真实验结果表明,改进型多目标灰狼优化算法可以使发射端和接收端产生强耦合谐振,实现系统功效的优化。

井下磁耦合无线电能传输系统的全谐振特性分析

在井下应用磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统供电时,如果系统参数配置不当会引起系统输入阻抗呈非纯阻性,从而造成系统失谐,影响井下电力设备的供电效率。MC-WPT系统二次侧采用串联补偿(S)时易于实现谐振,但在二次侧采用并联补偿(P)时,现有研究都是在系统仅一次侧谐振、二次侧未谐振导致系统未全谐振的基础上进行的。针对上述问题,提出了一种MC-WPT系统的全谐振补偿方式。以SP型、PP型、LCC-P型和LCL-P型补偿拓扑作为二次侧并联MC-WPT系统研究对象,利用阻抗分析法得到系统处于全谐振状态的参数约束关系,并采用Matlab/Simulink对传统补偿方式和全谐振补偿方式进行仿真对比,结果表明:全谐振补偿方式下的SP型、PP型、LCL-P型补偿拓扑输出功率大于传统补偿方式下的输出功率,LCC-P型补偿拓扑输出功率小于传统补偿方式下的输出功率;在全谐振补偿方式下,SP型与PP型拓扑效率与传统补偿方式下的效率相差不大,LCC-P型拓扑效率远高于传统补偿方式下的效率,LCL-P型拓扑效率略低于传统补偿方式下的效率;全谐振模式下系统无需提供无功功率,视在功率等于给定的输出功率;全谐振补偿方式下SP型拓扑更适合应用于煤矿井下,不受互感变化影响,但受电阻负载影响较大。针对全谐振补偿方式下SP型MC-WPT系统谐振频率受电阻负载影响及电阻负载具有下限值的问题,利用DC-DC变换器,将阻抗匹配与有源功率因数校正相结合,实现系统整流桥输入侧等效阻抗始终等于预设谐振频率对应电阻值,同时保证系统整流桥输入电流与电压同相位,降低DC-DC变换器的引入对系统阻抗的影响。以SP型MC-WPT系统为实验对象进行验证,结果表明:SP型MC-WPT系统在全谐振补偿优化方式下能脱离电阻负载的束缚,系统不受互感影响及负载变化影响,稳定在全谐振模式下,提高了输出功率与输出效率。

消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统

传统的三相感应式电能传输系统的磁耦合机构存在严重的交叉耦合,影响系统效率。为了消除原副边线圈之间的交叉耦合,文中分析了三相串-串拓扑电路,利用DDQ结构线圈解耦的原理,在DDQ型线圈上增加一个与原DD线圈成90°放置的DD型线圈,使不同线圈间互感均为零,由此提出并设计了一种消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统磁耦合机构。最后,搭建了一个3.3 kW的原理样机进行验证。实验表明,所设计的三相耦合机构的交叉耦合可以忽略,最高效率(直流-直流)可达95.61%,当系统偏移15%的情况下,内部的解耦被严重破坏时,系统效率发生下降,最大降低2.16%。实验结果表明该结构有效且可行,可适用于三相大功率传输。

基于能量流理论的谐振式无线电能传输原理分析与验证

对于磁耦合谐振式无线电能传输过程,一般采用电路或耦合模理论来分析。然而这两种方法都存在缺陷,无法深入地描述系统及元器件的时域能量状态,基于此,该文结合电路与耦合模理论提出一种新型能量流模型,进一步完善无线电能传输理论。首先从Series-Series(SS)型补偿结构出发建立无线电能传输能量流模型,然后应用Matlab和Advanced Design System(ADS)软件对该理论进行仿真,将其与电路模型和耦合模模型进行对比,最后搭建实验平台对能量流模型进行了验证,实验结果与仿真结果获得了较好的一致性,证明了能量流模型的正确性。同时表明,相较于电路模型与耦合模模型,能量流模型能够更深层地描述谐振式无线电能传输系统的工作机理,有助于为无线电能传输系统的优化设计提供更加完善的理论基础。

频率分叉现象对无线电能传输系统的影响

针对磁耦合感应式无线电能传输技术中频率分叉对输出特性的影响,首先利用Matlab仿真分析了频率分叉反映参数、传输效率和耦合因数、失谐因子的关系,然后分析了有效传输距离的影响因素。结果表明,当磁耦合感应式无线电能传输技术工作在临界耦合状态、主谐振频率处或过耦合状态、从谐振频率处时,频率分叉反映参数最大,当其工作在主谐振频率处时传输效率最大。且其有效传输距离与谐振线圈的半径和匝数成正比。

基于三维电磁仿真软件的无线充电耦合机构建模与仿真研究

针对电动汽车无线充电技术,考虑发射线圈和接收线圈发生径向偏移的情况,基于两线圈结构的串串型拓扑,通过三维电磁仿真软件Maxwell来对比圆形、矩形和DD型线圈的抗偏移性能。通过添加磁芯和铝板等对所选线圈进行优化设计。借助Maxwell和Simplorer实现联合仿真,验证该无线电能传输系统设计的可行性。在两线圈间发生偏移的情况下,为实现无线电能传输系统的传输效率达到95%以上的目标,给出了一种基于线圈比较选择的磁耦合机构设计流程,并根据流程设计了切实可行的无线电能传输系统。通过试验验证了该系统的可行性。

电流型ICPT系统恒流输出复合谐振网络研究

为解决煤矿安全监控系统中不同传感器的恒流无线供电问题,针对电流馈电型磁耦合感应式无线电能传输(ICPT)系统,研究了一种适用于无线电能传输的复合谐振补偿网络,推导了实现恒流输出的补偿网络所需条件,分析了软开关实现方式及系统参数变化对系统输出特性及输入阻抗角的影响。该网络通过补偿元件的重构组合及参数配置获得不同的输出增益,而无需重新设计松耦合变压器,简化了硬件电路。实验结果表明,该复合谐振补偿网络可以实现无线电能传输系统原边线圈及输出电流的负载无关性,同时满足开关管关断时的软关断,可用于实现煤矿安全监控系统中不同类型或型号传感器的恒流供电,有利于提高煤矿安全监控系统的可靠性及对不同负载的适应性。

无线电能传输中螺旋型线圈磁耦合系统篚分析与优化

本文针对一种应用谐振式无线电能传输技术的输出电压220V、输出功率300W、传输距离27mm的某企业实际产品开发需求，对其平面螺旋型线圈磁系统进行仿真分析与优化，选取合适的磁系统参数，最后完成样VLN作，经测试，样机能满足实际的要求。

MC-WPT系统能量与信号并行传输技术研究

随着无线电能传输技术的发展成熟,其应用范围不断扩大。为了提升系统的鲁棒性,实现高性能的电能传输以及信号传输,越来越多的应用场合要求实现通信功能。系统基于磁耦合谐振无线电能传输技术,针对具体相关的应用场景,设计了能量信号并行传输系统的框架。能量传输补偿拓扑选择LCC-S型结构,并在传统的双线圈能量传输耦合机构中加入了一对特殊线圈作为通信信道,实现了能量信号的并行传输,并从仿真和实验的角度验证了所设计系统的可行性。