磁耦合无线电能传输系统宽范围零电压开关实现方法

在磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统中,由于磁性材料和金属材料的存在,气隙变化会导致线圈自感和互感发生变化,这在小气隙应用中尤为明显。该文提出一种考虑线圈参数和负载变化的宽耦合范围零电压软开关(ZVS)实现方法。该方法使用移相调制(PSM)实现了系统的恒流/恒压(CC/CV)输出。通过优化线圈结构和补偿参数,自感变化转变为有利的可变输入阻抗,从而显著地拓宽了ZVS运行范围。同时,系统无功电流降到最小。为了验证所提方法的有效性,搭建一套250 W的实验装置,实验结果表明,在气隙变化范围10~60 mm,最大自感变化范围32.88~23.84μH,最大互感变化范围19.13~6.05μH内,系统实现了最小无功电流下的宽耦合范围ZVS运行,且具备CC/CV输出特性,峰值效率达到92.5%。

自激推挽式磁耦合无线电能传输系统磁屏蔽特性分析

基于自激推挽式磁耦合无线电能传输系统,推导出带有磁屏蔽系统的传输效率表达式,分析了磁屏蔽对系统传输效率的影响机理。利用有限元仿真,研究了三种工况下磁屏蔽与耦合线圈轴向距离变化对耦合系数、谐振频率、线圈负载品质因数和等效电阻造成的影响,进而获得系统传输效率与磁屏蔽的关系。实验方面,基于研制的自激推挽式磁耦合无线电能传输装置,制作了PC95材质的平面型磁屏蔽结构,在传输间距10cm下完成了小功率无线输电实验。通过仿真与实验结果对比,磁屏蔽材料的引入将使磁场更为集中,通过同时影响自激推挽式磁耦合无线电能传输系统的耦合系数、谐振频率、线圈负载品质因数和等效电阻,导致系统传输效率变化,磁屏蔽越靠近发射端其影响将更为显著,只在接收端添加且距离1cm时可获得最大传输效率。

磁耦合无线电能传输系统异物检测技术综述

随着磁耦合无线电能传输(wirelesspowertransfer,WPT)系统的应用推广,异物检测技术的研究越来越受到关注。该文综述国内外磁耦合WPT系统异物检测技术的研究现状,首先总结各文献中有关异物和异物检测技术的概念和定义,介绍研究异物检测技术的主要团队,重点分析目前金属异物对磁耦合WPT系统的影响机理、影响规律和金属异物影响下磁耦合WPT系统的建模方法及异物检测方法方面所取得的主要研究成果,给出几种常用的异物检测方法的优缺点和适用范围,论述异物检测技术的未来研究方向。

SS型PT对称磁耦合无线电能传输系统特性分析

为深入分析PT对称系统的电路特性,给实际系统设计提供理论准则,基于电路理论,从系统的工作原理出发对系统进行建模,证实了PT对称系统的工作机制实质为实本征态机制,并给出了系统结构以及运行模式和系统参数之间的数学关系,为实际系统的设计提供了参数准则。在此基础上,对比分析了不同实本征态的阻抗特性及能效特性,为实际系统的工作模式选取提供了理论依据。

谐振式磁耦合无线电能传输系统传输特性及实验仪设计

利用磁耦合理论,分析了谐振式磁耦合无线电能传输系统的传输特性,开发了一种谐振式双线圈磁耦合无线电能传输实验仪.利用LED负载直观定性地观测了系统的传输特性,实验测量了发射线圈高频等效电阻及系统输出功率与信号频率、传输距离和负载的关系,获到了最大传输功率条件和频率分裂规律.实验表明,线圈在MHz频率下趋肤效应明显,频率越高,等效电阻越大;磁耦合无线电能传输系统的谐振特性不仅与频率相关,还与耦合系数相关;最佳全谐振时输出功率和传输效率最大.本实验仪可拓展测量RLC串联电路稳态特性,工作稳定,实验与理论吻合好.

磁耦合无线电能传输系统电磁干扰抑制研究进展

无线电能传输技术可有效提升电能补给的自由度和安全性,具有广阔的应用前景。电磁环境安全性是无线电能传输技术推广应用过程中必须要解决的问题。文中概括总结磁耦合无线电能传输系统电磁干扰抑制技术研究进展。从分析无线电能传输系统电磁干扰来源入手,介绍无线电能传输系统电磁场分析方法、电磁屏蔽效能评估方法;然后分别阐释在无线电能传输系统设计中抑制漏磁场、采取主动屏蔽、被动屏蔽等方法降低电磁干扰等提升系统电磁安全性的措施;分析近年来纳米晶材料、电磁超材料在无线电能传输系统电磁干扰抑制中的应用;最后,对该技术有待研究的关键问题及未来发展趋势进行分析和展望。

共振磁耦合无线电能传输系统参数与电磁分布特性仿真研究

为进一步改进共振磁耦合式无线充电系统的低频化问题,利用二端口网络参数理论对共振磁耦合无线电能传输系统进行建模,分析了系统传输效率与功率和S参数的关系,指出传输效率最大化的条件,提出了降低无线电能传输系统工作频率的必要性,并结合低频化设计思路,针对铜贴片改变进行HFSS本征频率仿真,得到系统共振频率和贴片厚度、距离、摆放位置等之间的关联,基于仿真结果为共振线圈选择合适的品质因数和共振频率。最后针对典型的共振磁耦合传输系统传输通道上的电磁场分布特性进行计算,得到磁场强度分布,比较了加入屏蔽体之后对传输系统的性能影响和屏蔽体效果,提高了系统传输效率。

磁耦合无线电能传输系统频率稳定性研究

针对磁耦合无线电能传输系统自然振荡频率易受电路参数影响而出现频率分叉现象的问题,利用磁耦合无线电能传输系统等效电路模型,推导出使系统保持频率稳定性的负载电阻及传输距离范围,进一步得出了系统频率稳定性不受传输距离影响的负载电阻范围,在该范围内系统始终保持频率恒定,自然振荡频率不受传输距离影响;通过仿真和实验对理论分析进行了验证。结果表明:负载电阻及传输距离的增大均会在一定程度上降低系统输出功率及传输效率,因此在使系统保持频率稳定性的前提下,应考虑输出功率及传输效率的要求,选择合适的负载电阻和传输距离,防止系统输出功率及传输效率过低。

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。

一种磁耦合无线电能传输系统的设计和仿真

在一些旋转应用场合,电能传输大多通过接触式的导电滑环实现,采用这种方式传输电能普遍存在机械磨损大、使用寿命短、打火等方面的缺点。提出了一种基于磁耦合原理,通过现代电力电子技术中的整流及高频逆变技术,以谐振方式传输电能的装置。详细分析了该系统的电路设计、参数计算以及仿真。结果表明该系统具有结构简单、开关损耗小、噪声低等特点。

基于遗传算法的磁耦合无线电能传输系统耦合机构参数识别方法

磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统作为一个强电磁耦合系统,其耦合机构的电感参数对系统性能有着显著影响。为保证磁耦合无线电能传输系统工作时处于谐振状态,文章提出一种基于遗传算法的LCC-S型MC-WPT系统的参数识别方法。该方法无需对一、二次侧线圈电压或电流进行高频采样,即可在线识别一、二次侧自感及互感参数,且采用该识别方法的系统具有硬件电路简单、成本低且易于实现等优点。仿真和试验结果验证了该耦合机构参数识别方法的可行性及有效性。

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。

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%。

基于旋转磁场耦合的非对称式无线电能传输系统

为了解决无线电能传输系统耦合机构偏移偏转致使耦合系数和传输能效骤降的问题,提出了一种基于旋转磁场耦合的非对称式WPT系统。所提出的双层正交DD发射机构用以激发旋转耦合磁场,交叉偶极式接收机构可实现旋转磁场的充分拾取。围绕DQDD-CD非对称耦合机构,分析了发射线圈激发磁场的旋转分布特性以及接收线圈偏移偏转位置下拾取磁通的耦合路径;构建了双能道谐振拓扑并推导了谐振元件参数配置条件以及系统传输能效表达式;给出了获得最高耦合系数的线圈绕制、位置和尺寸3类特征参数的配置方法,分析了偏移偏转位置下DQDD-CD耦合机构的互感及耦合系数变化规律,分析结果表明DQDD-CD机构相比于现有6种典型耦合机构具有更全方位和更宽范围的抗偏移偏转性能。最后,在水平偏移50%和垂直偏转90°范围内的情况下,建立了500 W实验样机,传输间距为130 mm,验证了DQDD-CD磁耦合机构的抗偏移偏转性能和系统传输能效性。

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。

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。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性

针对磁耦合谐振式无线电能传输技术的传输效率随着发射设备与接收设备距离的变化而波动的问题,采用频率特性的新方法分析无线电能传输系统得到了对实际系统设计具有关键指导作用的结果,其中包括频率分裂特性和最大传输距离。利用频率分裂规律对不同距离的效率进行频率跟踪补偿可以提高系统传能效率。通过设计的相关的实验电路验证了频率分裂特性与系统最大传输距离(临界耦合点)理论分析的正确性,为提高无线电能传输功率和距离提供有效的参考。

磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究

磁耦合谐振式无线电能传输系统具有传输效率高、距离远、功率大的特点。针对串并式模型(Series-Parallel Model,SP)进行分析,从等效电路的角度研究系统传输效率及输出功率与线圈距离、工作频率、负载电阻之间的关系,得到效率及功率的表达式。通过Matlab仿真,发现在只改变系统频率的情况下最佳效率工作频率与最大功率工作频率重合,且输出功率对频率的变化更为敏感。设计制作了一套串并式结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证了前述分析的正确性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验

针对无线电能传输系统中传输功率小、传输效率低和传输距离短的问题,提出了一种增加中继线圈的新结构。基于磁耦合谐振式无线电能传输系统的工作原理,为增强系统耦合性能,在电源线圈与负载线圈中增加了中继线圈,并分析了其系统模型及传输功率公式。通过ANSYS有限元分析软件对不同数量中继线圈的实验系统进行电磁仿真,绘制了不同距离的磁感应强度空间分布图。最后,搭建了一个磁耦合谐振式无线电能传输实验台,根据负载功率变化与线圈距离的关系,验证了数值仿真的正确性。仿真和实验结果表明:增加中继线圈的数量能够有效地增强空间磁感应强度,对提高传输效率和增加传输距离有显著作用。

金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响

近年来,基于无线电能传输技术的各类系统受到越来越广泛的关注。大多数关于磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究集中于能量在自由空间中传播的情况,本文针对无线电能传输系统可能遇到金属介质障碍物的情况进行了探讨。分别将障碍物置于发射端一侧、接收端一侧以及发射端和接收端之间,并对其进行仿真分析及实验验证。仿真结果显示金属障碍物的设置对系统附近磁场有明显影响,与实验结果一致。并且证明,通过调节可调电容,可以使系统输出功率大致恢复到无障碍物时的水平。