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。

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%。

基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输

针对多自由度电机无线电能传输中传输效率较低的问题,提出基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输方法。该方法根据共振原理构建磁耦合谐振式无线电能传输模型,通过反射系数描述阻抗匹配状态,获取最佳负载阻抗;采用混沌优化算法优化电机线圈损耗率,实现多自由度电机无线电能传输优化。实验结果表明,应用该方法后,多自由度电机的电能输出功率达到了893 W,传输效率提升了0.10以上,提高了电能输出功率和传输效率,方法有效,具备可行性。

多方位无线电能传输耦合机构设计与分析

针对传统的多方位无线电能传输耦合机构常采用xyz正交圆线圈结构,需要3个电源且充电区域受线圈结构限制的问题,提出1种新型多方位无线电能传输耦合机构,该机构由2组8字型线圈和1组圆形线圈组合而成,整体呈现5个不同方位的圆环状,仅需单电源供电。对基于S-S型发射端拓扑进行了改进,通过对电路的操控改变线圈磁场分布,实现了线圈的内、外部电能传输,拓宽了充电区域。基于线圈结构,建立了该耦合机构的数学模型,推导出任意空间位置的互感和效率计算式。通过仿真和试验确定了该耦合机构的最佳工作区域。

信号与能量极板层叠方式下的电场耦合式无线电能传输系统

为了提升共享部分能量通道式的电能与信号并行传输系统在传输极板面积受限的应用场合中的能量传输性能,并实现信号双向高速传输,提出一种信号传输极板与能量传输极板层叠方式下的电场耦合式无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)系统,给出系统拓扑及串扰抑制方法。基于交流阻抗分析法及香农第二定理,建立电能串扰增益、信号传输增益、信号最大传输速率及电能传输增益的数学模型,分析交叉耦合电容对电能串扰增益及信号传输的影响;以降低交叉耦合电容对信号传输增益及信号最大传输速率的影响为目标,给出层叠方式下EC-WPT系统信号传输极板面积及信号支路参数的设计方法。仿真与实验验证了所提出的系统及给出的方法能在较大传输功率下实现系统的信号双向高速传输。所搭建的实验装置实现了在系统输出功率达到520.2 W时,信号正向传输速度为18.64 Mbit/s和信号反向传输速度为19.36 Mbit/s。

基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统

针对传统无线电能传输系统中发射机构和接收机构相对位置发生偏移时,传输功率和效率急剧下降的问题,提出了一种基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统。首先通过有限元仿真分析发射机构的磁场分布特性,设计了适应其磁场分布的接收机构;然后基于串串谐振补偿结构建立系统数学模型,分析系统传输特性;在此基础上提出了最优输出方式选择方法和传输特性优化方法。最后,通过试验验证了所提系统多自由度传输能量的可行性和有效性。试验结果表明,接收机构在多角度情况下的输出功率维持在35 W以上,传输效率稳定在60%~75%。

电场耦合式无线电能传输技术在航天领域应用前景展望

将无线电能传输技术引入航天器的旋转供电中是推动航天器进一步发展的重要手段。而现有应用最广的磁耦合式无线电能传输技术(inductive power transfer,IPT)因成本高、重量大、存在涡流损耗等缺陷而难以在航天领域中得到大规模应用。而电场耦合式无线电能传输技术(capacitive power transfer,CPT)以其成本低、重量轻等优点,近年来受到广泛关注,在航天领域具有巨大潜力。从传统IPT技术在航天领域应用的缺陷入手,分析将CPT技术引入航天领域无线供电场景的重要性。进而介绍了CPT技术的发展历程与基本原理,并对CPT技术在轻量化、大功率、旋转型三个领域的研究现状进行综述来论证其在航天领域应用的潜力。最后总结了CPT技术在航天领域应用存在的问题并分析了解决这些问题可行的技术手段。

电动汽车电磁耦合谐振无线电能传输系统性能分析

电磁耦合谐振无线电能传输是一种新型的无线供电技术,具有效率高、距离远的特点。设计了一种电动汽车电磁耦合谐振无线充电系统,并开展性能实验分析。一对一线圈传输实验表明增大线圈直径与共振频率后有助于获得更大发射功率,达到更大的发射距离。多方向电能接收实验表明优化后线圈可以使接收端从不同方向接收能量,通过三维线圈为电动汽车传感器提供所需电能。该研究有助于提高电动汽车长距离许航能力,进而提高行驶效率。

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究综述

近年来,无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术受到越来越广泛的关注,文中对WPT技术的几种主要传输形式进行了介绍,重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术(magnetic coupling resonant wireless power transfer,MCR-WPT)。针对MCR-WPT技术,介绍了系统的基本结构,并对其建模方式和机理进行分析,重点阐述了MCR-WPT的关键技术与热门技术的发展现状,最后对该技术目前存在的问题和发展趋势进行了展望。

基于三端轴式松耦合变压器的无线电能传输系统

松耦合变压器是电磁感应耦合式无线电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统中实现电能传输的重要设备。然而,松耦合变压器输出功率小、传输效率低的问题极大限制了其推广应用。提出了一种三端轴式松耦合变压器结构,分别针对该新型变压器相邻线圈对同名端同向和反向两种情况建立数学模型;然后对LCC-S补偿方式下基于三端轴式松耦合变压器的ICPT系统存在的频率分裂现象进行分析,通过仿真验证了三端轴式松耦合变压器可通过不同线圈对间的互感来提升系统的传输特性,并对同名端同向和同名端反向两种情况的输出功率和传输效率进行对比;最后通过实物实验证实了基于三端轴式松耦合变压器的ICPT系统能够提高输出功率和传输效率,同名端同向时传输效率较高,提高了16.4%;同名端反向时输出功率较高,提高了33.2%。

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。

基于磁耦合电动汽车无线电能传输教学实训平台研究与实践

针对目前无线电能传输教学实训平台理论教学与实训脱节,使得学生对无线电能传输运行机理的认识不够深入。为激发学生学习兴趣,增强教学效果,以电动汽车无线电能传输为应用背景,对传统无线电能传输系统架构进行设计。基于基波等效法和基尔霍夫电压定律建立无线电能传输的几种典型结构数学模型,分析在谐振状态下不同结构的输出电压、电流、功率以及传输效率等特性。介绍无线电能传输教学实训平台的搭建过程,包括逆变器、整流器、磁耦合结构的设计和利兹线的计算选择等。在教学实训平台验证了几种典型无线电能传输结构的工作特性,使学生增强电力电子实践能力的同时对无线电能传输系统有更深入的认识。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的无模型自适应控制研究

为解决磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)系统因频率失谐而使得传输效率降低的问题,提出一种无模型自适应频率跟踪方法。该方法以发射端电流和电压间的相位差值为控制器输入,以控制器输出来调控发射端的交流电源频率;控制器设计不依赖于系统的精确数学模型,而且可通过伪雅可比矩阵的自适应估计律来提高应对发射端频率失谐的控制自适应性。MCRWPT系统的控制仿真结果表明,相比传统的PI控制,该方法不仅在较长的无线传输距离情况下能实现维持系统发射端的谐振工作状态,而且具有更好的谐振频率跟踪性能,对保持较高的系统无线电能传输效率具有明显优势。

水下机器人磁耦合无线电能传输技术研究进展

水下机器人已成为海底设施巡检和海洋环境调查的关键装备,海底无线充电基站是解决机器人原位电能补给的有效方案。概述磁耦合式水下无线电能传输技术的原理,针对电磁耦合器结构、补偿网络拓扑、涡流损耗分析等主要问题,综述水下无线电能传输技术的研究现状,总结海底无线充电基站的国内外应用进展,并展望水下无线电能传输技术在基础理论和应用方面的发展方向。

印制无线电能传输线圈的设计与优化

为更好地适应无线充电技术的应用需求,设计一种具有较高平面偏移容忍度的无线电能传输系统磁耦合结构。该结构的接收端采用印制电路板制作,并在不增加敷铜面的基础上集成平面螺线管结构,在保证线圈制作精度及结构稳定的基础上,提高磁耦合机构的抗偏移性能。依据互感原理建立基于LCC-S谐振网络的系统数学模型。根据磁耦合机构互感波动及系统效率优化线圈尺寸参数。依据优化结果制作磁耦合机构及传输系统样机。磁耦合机构互感参数测量及系统传输实验结果表明,该结构在一定平面偏移范围内具有较好的抗偏移效果。

磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈结构参数优化方法

谐振线圈是磁耦合谐振式无线电能传输(magnetic coupling resonance wireless power transfer,MCR-WPT)系统的核心部分,线圈参数决定了系统电路的谐振参数,进而决定系统的能量传输效率。现有研究只考虑了近距离四线圈及以下MCRWPT系统建模及其线圈参数优化。为了实现中远距离高效无线传能,构建了一种六线圈MCR-WPT系统模型,并以线圈结构参数为优化变量,通过分析限制交叉耦合与频率分裂的条件建立优化变量约束函数,以线圈互感与线圈内阻之比为目标函数,设计了一种基于灰狼算法的定线圈间距六级MCR-WPT系统参数优化方法,并通过仿真进行了验证,结果表明,其最优传能效率达93%,所构建的六级MCR-WPT及其参数优化方法有效。

基于同侧解耦型电场耦合机构的多发射多接收无线电能传输系统

近年来,随着供电水平要求的提高,单发射单接收的电场耦合无线电能传输(EC-WPT)系统难以满足不同功率等级应用的需求。采用多发射多接收的EC-WPT系统可以有效地扩展输出功率等级。然而,在考虑耦合机构的全电容模型的情况下,因为传能通道间的耦合关系,多发射多接收的EC-WPT系统会存在系统失谐问题。为了解决此问题,该文提出一种基于同侧解耦型耦合机构的双发射双接收的EC-WPT系统。首先,建立一个典型的双发射双接收EC-WPT系统模型,分析同侧耦合对系统谐振的影响效果。然后,提出基于分裂极板的解耦型耦合机构的结构,论证其应用在EC-WPT系统电路中的解耦效果并分析了其解耦原理、耦合系数及偏移性能。最后,搭建了一个功率为200 W的实验样机。实验结果表明,所提出的耦合机构具有较好的同侧解耦特性,基于该耦合机构的EC-WPT系统能在不同工作条件下始终保持谐振状态。

基于宇称时间对称的P-SP拓扑无线电能传输系统特性分析

宇称时间(PT)对称原理已经被验证可以作为提高无线电能传输系统自由度的有力工具,但基于PT对称的并联-并联(P-P)拓扑结构无线电能传输(WPT)系统的工作范围仍然受到限制。为解决这一问题,提出了一种基于PT对称原理的并联-串并联(P-SP)补偿WPT系统。通过等效电路法化简系统电路模型,并利用耦合模理论(CMT)分析电容分配比对振荡频率、临界耦合系数、满足系统进入PT对称区域的耦合系数和负载电阻值范围以及传输效率等工作性能的影响。构建样机开展实验,以检验所提方法的适用性,结果表明:可以在仅损失2%系统传输效率的情况下,将传输距离由110 mm扩大到210 mm,该操作可为扩大应用范围、增加应用场景、优化激光无线充电系统中发送模块单元和接收模块单元的工作性能做准备。

基于COMSOL的无线电能传输性能仿真实验研究

磁耦合谐振式无线电能传输性能与系统的频率密切相关,当谐振补偿电路的谐振频率与电源工作频率一致时,系统达到最优输出性能。众多文献报道MCR-WPT的谐振频率从100 kHz到1 000 kHz,然而针对不同的谐振频率对系统传输性能的研究较少。因此,本研究从MCR-WPT等效电路角度详细分析,通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进行多物理场耦合建模仿真,获取线圈电路参数,最后利用MATLAB软件进行计算分析,综合比较不同的谐振频率对系统传输性能的影响。仿真实验得出在100~1 000 kHz范围内,系统谐振频率在100~400 kHz时系统输出功率和传输效率最优。

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。