可控电感在WPT系统动态性能的优化方法

SS型Buck-WPT(Buck-wireless power transfer)系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变系统对快速性的较高要求。例如,系统在启动时会存在较强震荡和较大超调,系统负载改变时稳定状态会发生改变且存在明显抖动,系统极限空载时原边谐振电流会增大,且该电流值远超出安全工作范围。本文提出了一种基于可控电感的SS型Buck-WPT系统。首先,分析了电感值可调的方法并在COMSOL中建立仿真模型验证其电感值可控的特性。其次,对SS型Buck-WPT系统进行数学建模,将SS型WPT系统作为Buck电路的特殊负载,推导SS型Buck-WPT系统状态空间方程。研究其三维空间内相轨迹的降维描述方法,将该系统用二维相轨迹描述系统运行过程。然后,通过分析启动阶段相轨迹运行规律,改进前级Buck电路。将传统Buck电路中的电感换成可控电感,运用其电感值可调的控制系统开通阶段的运行轨迹,使系统在1个开关周期内无超调快速进入稳态。当系统负载改变时,系统的输出电压会改变,且是不断抖动来回反复的过程,利用PI算法对系统进行恒流控制。通过可控电感控制系统相轨迹,使副边输出能无抖动快速进入稳态,保证输出电压不变。针对SS型谐振网络的Buck-WPT系统中出现空载大电流的问题,提出了将可控电感串联接入原边谐振网络的方法。实时检测原边谐振电流值,该值超过正常工作范围,感值就快速增大,减小原边谐振电流,达到空载时维持原边谐振电流安全值以下。最后,验证上述方法在优化SS型Buck-WPT系统动态特性的有效性,在Simulink中搭建仿真电路。该方法能减小工作条件改变时带来的系统抖动,且在不改变系统响应速度前提下减小超调,优化系统动态性能,增强系统抗负载扰动力,提高系统带负载能力有明显效果。

无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略

为了保证动态无线电能传输(DWPT)系统工作于较高的电能传输效率和传输功率,减小由于系统参数变化导致的传输功率和传输效率的下降。该文提出一种零电压开关角(ZVSA)跟踪和动态电容补偿矩阵(DCCM)相结合的无线电能传输系统频率跟踪控制策略。采用电流传感器来获取谐振电流的相位,并利用处理器产生的参考信号来测量谐振电流的相位。微控制根据频率漂移的程度计算补偿电容的大小,粗略地将自然谐振频率调至85 kHz,然后系统自动跟踪谐振电流相位,对谐振频率精确跟踪。该方法通过直接对相位检测电路输出的直流信号进行采样,轻松地获取高频电流的相位,大大降低了对微控制器的占用。该文提出的控制策略和系统结构结合了模拟电路和数字控制的优点,不仅对系统参数变化有高动态响应,而且极大地节省了处理器资源。

Designing an Effective Method for Automatic Electric Vehicle Charging Stations in a Static Environment

This article outlines an Effective Method for Automatic Electric Vehicle Charging Stations in a Static Environment. It consists of investigated wireless transformer structures with various ferrite forms. WPT technology has rapidly advanced in the last few years. At kilowatt power levels, the transmission distance grows from a few millimeters to several hundred millimeters with a grid to load efficiency greater than 90%. The improvements have made the WPT more appealing for electric vehicle (EV) charging applications in both static and dynamic charging scenarios. Static and dynamic WEVCS, two of the main applications, are described, and current developments with features from research facilities, academic institutions, and businesses are noted. Additionally, forthcoming concepts based WEVCS are analyzed and examined, including “dynamic” wireless charging systems (WCS). A dynamic wireless power transfer (DWPT) system, which can supply electricity to moving EVs, is one of the feasible alternatives. The moving secondary coil is part of the dynamic WPT system, which also comprises of many fixed groundside (primary) coils. An equivalent circuit between the stationary system and the dynamic WPT system that results from the stationary system is demonstrated by theoretical investigations. The dynamic WPT system’s solenoid coils outperform circular coils in terms of flux distribution and misalignment. The WPT-related EV wireless charging technologies were examined in this study. WPT can assist EVs in overcoming their restrictions on cost, range, and charging time.

Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control

As an emerging research field,inductively coupled wireless power transfer(ICWPT) technology has attracted wide spread attention recently.In this paper,the maximum power transfer performances of four basic topologies labeled as SS,SP,PS and PP are investigated.By modeling the equivalent circuits of these topologies in high frequency(HF),the primary resonance compensation capacitances for maximum power transfer capability are deduced.It is found that these capacitances fluctuate with load resistance change,which is disadvantageous to SP,PS and PP topologies and an obstacle to their practical applications as well.To solve this problem,a phase controlled inductor circuit is proposed.By adjusting the triggering angle,the real-time dynamic tuning control can be achieved to guarantee maximum power transfer.Finally,simulations and experiments show that the proposed method is of great effectiveness and reliability to solve the issue of resonance compensation capacitance fluctuation with load change and to guarantee the flexible applications of all topologies.

电动汽车动态无线充电系统输出电流模型预测控制

动态无线电能传输(DWPT)能够为行驶中的电动汽车提供能量补给,有助于缓解里程焦虑、节省充电时间。然而,车辆行驶过程中发生的随机性横向偏移以及分段导轨切换区域的耦合关系变化等,都会引起充电功率波动。该文以LCC-S型磁耦合谐振式DWPT系统为例,提出一种结合卡尔曼滤波和模型预测控制的恒流控制方法。首先建立电能接收端Buck降压电路的状态空间模型;然后基于该模型设计卡尔曼滤波状态估计器和预测控制器;最后通过仿真和实验,验证了所提出的卡尔曼滤波和模型预测融合控制算法的有效性,并与传统的PI算法进行比较。结果表明,该控制器显著提高了恒流控制速度,并且对互感变化具有很强的鲁棒性。

用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输

为了使运动工作和随意摆放的设备得到高效利用,从而不断提高人们生活品质和生产效率,人们迫切希望能够以无线方式为这些设备提供电力,而不是依赖导线连接电源或者停下工作来充电。据此,利用准静态谐振腔原理,初步研究了在特定三维空间内,为静止或运动设备无线供电的技术。根据准静态谐振腔结构和电磁场分布特点,给出了准静态谐振腔电磁场各坐标分量的直观近似表达式。在此基础上,分析了接收线圈的感应电动势和腔体的功率损耗,以及传输效率的一般表达式。制作了2.08×2.08×1.12 m^(3)的立方体且带一对电极的准静态谐振腔,并针对接收线圈的自转和公转等运动,开展了传输功率与传输效率的实验研究和相同条件下的仿真研究,实现了在手持且运动状态下为手机无线充电的功能。

电流过零比较与动态时滞的无线电能传输频率跟踪方法

为解决无线电能传输系统参数变化导致的频率失谐问题,建立电能传输的磁耦合等效模型,研究系统的频率跟踪控制原理,揭示耦合系数、负载等参数变化对系统电压增益和跨导增益的影响规律,得到开关管工作在零电压开关状态下的实现条件及开关频率的变化范围。在此基础上,提出基于数字信号处理技术的电流过零比较与动态时滞的数字锁相环和系统阻抗角调节的控制方法,实现电压电流的频率和相位跟踪,结合电压外环、电流内环的双闭环控制实现恒压或恒流输出。最后,搭建实验平台验证控制方法的可行性和有效性,结果表明:改变气隙距离能够快速实现电压电流频率和相位的跟踪控制,且当气隙距离大于一定值时,所提方法得到的传输效率比固定频率控制时提高4%以上,验证了控制方法的有效性。

具有恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输技术

电场耦合式无线电能传输(EC-WPT)技术具有耦合机构轻、涡流损耗小和抗偏移性强等优势,这些优势很好地契合了动态无线电能传输系统的需求。但是,耦合参数和负载电阻的时变性会对EC-WPT系统的输出电压平稳性产生影响。因此,该文提出一种具有变负载与过分段恒压输出特性的动态EC-WPT系统。基于反混合G参数建立多端口电场耦合机构数学模型和等效电路,在此模型上提出兼具极板恒压与输出恒压特性的高阶补偿网络,并分析发射端同侧耦合对系统谐振的影响。理论分析表明,所设计的动态EC-WPT系统兼具变负载和过分段输出电压平稳的特性,同时论证了同侧耦合对系统谐振的影响为感性。实验结果显示,当直流侧负载从100Ω切换到30Ω时,系统输出电压变化率最大为11.58%,变负载电压基本恒定。30Ω负载下系统动态经过供电分段时输出电压跌落最大为2.33%,100Ω负载下系统动态经过供电分段时则为2.06%,过供电分段输出电压基本保持恒定。

动态IPT系统后级稳压器的小信号模型修正和改进控制策略

针对单轨动态无线供电系统,在考虑整流桥前的电流断续及副边谐振电路寄生参数的影响下,分析了整流电压与负载的关系,指出因负载变化导致的整流电压大范围波动给后级稳压器的建模和闭环参数设计带来了挑战。为使后级稳压器小信号模型描述得更为准确,考虑了副边谐振电路的影响,引入幅值/频率修正系数,对后级稳压器小信号模型的低频段增益和中频段谐振峰频率进行了修正。在此基础上,为进一步提高系统的变负载动态响应能力,提出加入整流电压前馈环节。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性和所提方案的有效性。

电动汽车动态无线电能传输系统设计及抗偏移特性研究

在电动汽车动态无线电能传输(DWPT)系统中,耦合机构相对位置发生偏移会导致能量传输效率和传输能力受到显著影响。因此,针对耦合机构偏移对系统传输性能的影响进行研究,并设计了一种具有抗偏移能力的链式动态传输系统。为提高系统对耦合机构发生偏移动态响应能力,降低负载接收功率波动,提出一种改进式人工神经网络的控制策略。当耦合机构发生偏移时,通过控制DC/DC变换器占空比实现对输出电流的平稳控制,从而实现对输出功率的平稳控制,并通过仿真和试验验证了该系统设计和控制策略的有效性。

移动式WPT系统双通道间相互干扰分析及其优化设计

移动式无线电能传输(wireless power transfer, WPT)需根据车辆的实时位置,切换不同的发射线圈,确定车辆的位置是实现移动式WPT的关键。为实现车辆位置的实时检测,设计了一种移动式双通道WPT系统,其中能量传输通道用于传输主能量,位置检测通道用于实时检测车辆位置。为研究WPT系统双通道间的相互干扰的问题,建立了四线圈耦合模型,解耦双通道四线圈间的干扰,确定位置检测通道频率,提出弱感性微失谐补偿方案,在不影响系统性能的条件下,降低发射端空载电流。通过理论推导、仿真分析等手段,对相关内容开展研究,并通过实验验证该频率下双通道间的干扰处于可接受范围,弱感性微失谐补偿方案可行有效。

Mechanism of Wireless Power Transfer System Waveform Distortion Caused by Nonideal Gallium Nitride Transistor Characteristics

Gallium nitride(GaN)field-effect transistors have low ON resistance and switching losses in high-frequency(>MHz)resonant wireless power transfer systems.Nevertheless,their performance in the system is determined by their characteristics and operation mode.A particular operating mode in a 6.78-MHz magnetic resonant wireless transfer system that employs class-D GaN power amplifiers in the zero-voltage switching mode is studied.Two operation modes,the forward mode and the reverse mode,are investigated.The nonideal effect under the device-level dynamic resistance and thermal effect are also analyzed.The dynamic resistance under different operation modes is demonstrated to have different generation mechanisms.Finally,the device characteristics with system operating conditions are combined,and the effects of temperature and dynamic resistance under different operating conditions are evaluated.

用于电动汽车动态供电的多初级绕组并联无线电能传输技术

传统的电动汽车无线充电技术存在停车后充电、单次充电时间长、充电频繁等问题,严重影响电动汽车的续航里程。为此,该文重点研究一种基于多初级绕组并联方式的电动汽车公路式动态无线充电方法,利用分段导轨实现对行驶中电动汽车无线供电。首先,利用互感耦合模型对初级绕组并联耦合机构进行电路拓扑分析;其次,通过仿真分析获取所述耦合机构在能量传输过程中的物理特性及磁场强度分布特性;最后,研究了一种基于磁场强度检测的接收端定位方法,通过三轴磁传感器测量行驶方向的磁场强度,实现次级绕组的实时精确定位,测量周期为6 ms,分辨率为5 mG s。仿真和实验结果表明,所述磁耦合机构与传统单初级/次级绕组串并补偿结构相比,由于边界磁场强度增大,输出功率提高25%,传输效率提高7%。

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。

磁耦合无线电能传输频率控制技术研究进展

磁耦合谐振式无线电能传输技术因其可靠性和实用性等优势进而成为近几年的研究热点。当电源频率与发射端和接收端电路的固有谐振频率相同时,系统可以取得较高的传输效率。但系统有时可能会偏离谐振状态,造成传输效率大幅下降。在对频率分裂现象进行研究后,分析了几种抑制频率分裂的方法,并从动态补偿、频率跟踪等方面给出了使得系统恢复谐振频率的对策。最后对系统频率控制技术进行了总结,并展望了未来的发展趋势。

多初级绕组串联的动态无线电能传输系统设计与特性分析

无线电能传输技术是一种安全、便利和自主的充电方式,动态无线电能传输是解决电动汽车续航里程短、车载电池成本高的关键技术。本文设计了一种新颖的能量分布式动态供电系统,高频逆变器连接多组开关控制的LC串联补偿可根据汽车位置自动分配能量。根据系统设计,推导了单线圈和双线圈系统效率和功率表达式,搭建了仿真电路和实验平台,分析了传输距离、移动距离、耦合角度及负载大小对系统传输性能的影响。实验样机的输出功率为3.3k W,工作频率为120k Hz,效率可超过90%,可为电动汽车提供连续供电。

电动汽车动态无线供电磁耦合机构研究综述

电动汽车无线供电技术有效提升了充电的便捷性和安全性,动态无线供电技术实现了电动汽车的“边跑边充”,实时补充电能解决了续航里程焦虑,进而也可以降低车载电池的容量。磁耦合机构是动态无线供电系统中实现能量无线传输的关键部件,直接决定了系统的传输特性,是研究人员关注的重点。该文首先对电动汽车动态无线供电系统发展历程进行了介绍;之后结合磁耦合机构的分类对目前主要研究的结构类型特点进行了分析,并对当前磁耦合机构主要研究的关键问题和现状进行了详细介绍;最后,对磁耦合机构需要在未来进行研究的关键问题进行了讨论。

基于四线圈的动态无线输电的位置检测

在无线输电系统中,当接收线圈相对于发射导轨或线圈发生左右偏移时,二者之间互感下降,从而导致电动汽车获取的电能减少,系统效率下降。针对这个问题,提出一种车辆位置检测方法,将其应用于发射侧为分布式发射线圈的动态无线输电系统中,为接收侧的驾驶员提供车辆相对于发射线圈的位置信息,协助驾驶员主动调整车辆位置,使接收线圈尽量与发射线圈对准,从而使得二者的互感达到最大,汽车能稳定拾取电能,系统运行效率也尽可能提高。所提方法采用4个感应线圈,通过检测感应线圈上的感应电压,计算接收线圈相对于发射线圈的横向偏移。通过仿真分析检测原理,验证了该方法的准确性,并通过实验证明其可行性。实验证明,该方法能够较准确地检测接收线圈偏移的方向和距离。

动态无线电能传输系统多接收线圈正反串联结构的互感计算与优化

在磁耦合谐振式动态无线电能传输系统中,发射线圈与接收线圈之间的相对水平偏移距离将达到发射线圈边长的一半,此时线圈间互感波动非常剧烈,导致系统无法正常工作。为此该文提出了一种多接收线圈正反串联结构来减小互感波动率。首先,提出了一种矩形线圈互感计算方法,运用提出的互感计算方法,分析了该线圈结构的互感特性;其次,给出了一种互感优化方法,运用提出的优化方法,得到了满足设计要求的各线圈参数;最后,根据得到的线圈参数,研制了一套基于多接收线圈正反串联结构的无线电能传输系统,通过仿真和实验验证了所提结构与方法的正确性。结果显示,运用提出的结构,其线圈间的偏移距离在发射线圈边长一半范围内变化时,线圈间最大互感波动率仅为3.81%。

动态无线电能传输系统多目标粒子群优化方法

针对动态无线电能传输中互感波动导致功率和效率下降问题,本文提出了一种多参数、多目标优化控制方法,相较于单一目标优化方法,该方法实现了传输功率和线圈传输效率同步优化。首先,基于导轨式无线电能传输系统模型从原理上分析影响传输性能参数,建立了多目标优化数学模型;其次,传统多目标优化方法由于求解速度过慢导致无法适应频繁变化的动态工况,因此本文将该方法与粒子群算法结合,提升了优化方法的响应速度;最后搭建了仿真模型和实验样机对理论分析进行了验证,结果显示在10μH/s互感变化率下运动10 s后系统仍可以保持额定功率工作,且传输效率可以保持90%以上。