基于LCC-S补偿式谐振拓扑的锂电池WPT系统研究

无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统具有安全、可靠、方便等优点。文章在分析WPT系统锂离子电池内阻及其典型充电方式的基础上,通过对WPT原理和谐振拓扑结构的研究,提出了基于LCC-S补偿式谐振拓扑的WPT系统。在电池等效负载变化的情况下,通过合理的参数设计,LCC-S补偿式谐振拓扑结构可以分别实现与负载无关的恒流模式和恒压模式,无需切换拓扑结构。在理论分析的基础上,设计了系统的参数,并通过MATLAB仿真系统搭建仿真模型,验证了研究中的恒流模式和恒压模式。

LCC-S型无线电能传输系统优化配置及特性研究

针对一次侧LCC、二次侧LC串联拓扑(LCC-S)的磁场耦合式无线电能传输系统(WPT),建立其数学模型,同时考虑实际系统元器件应力约束以及元件参数漂移的影响建立多目标优化模型。从工作模式分布、元件应力、传输效率及输出功率等多个不同角度分析其多工作模式运行的优缺点,并基于多目标遗传算法对补偿网络参数进行优化配置,从而优化WPT系统各工作模式的传输性能。在此基础上对优化前后的各工作模式特性进行对比分析,最后通过实验验证多目标优化效果,实验结果表明,该优化方法改善了各工作模式的传输性能。

多目标PSO的LCC/S型磁谐振耦合机构参数优化算法

针对LCC/S型无线电能传输系统谐振补偿拓扑参数配置困难,使得系统难以同时兼顾效率与输出功率,以系统传输效率和输出功率两输出特性构造目标函数。对于这两个具有非线性关系的目标函数,通过Pareto支配并结合粒子群优化(PSO)算法进行寻优计算,以此完成对LCC/S磁谐振耦合机构的多目标参数优化,使得系统在获得足够功率的同时获得更高的传输效率。通过仿真验证了优化算法的有效性。

基于激活函数的LCC-S型无线电能传输系统建模和稳定性分析

基于电力电子器件的无线电能传输(WPT)系统是一种开关系统,其大信号模型是研究系统运行特性和稳定性的基础。建模的关键是如何描述系统中的非线性、离散开关变量,为解决这一问题,该文提出一种基于S型激活函数的建模方法。S型激活函数是连续、平滑、可微的且在一定值时具有饱和特性,因此可利用陡度因子较大的激活函数来近似开关的切换过程,将WPT系统由离散的开关系统转变为连续系统。该文以LCC-S型WPT系统为研究对象,构建其开环和闭环模式下激活函数模型,利用该模型分析控制器参数和系统参数对瞬态行为和稳定性的影响,并通过仿真和实验进行验证。结果表明,所构建的模型与仿真和实验结果吻合较好。该模型数学表达式结构简单统一,物理意义明确,是一个具有普遍意义的高精度大信号连续模型。

离散时间迭代的LCC-S型无线电能传输系统建模及稳定性分析

为了建立LCC-S型无线电能传输(WPT)系统的模型并分析其稳定性,采用离散时间迭代的思想,建立了开环控制模式下LCC-S型WPT系统的模型,该模型可以描述系统的连续动态特性。在此基础上,进一步推导了电压型比例积分控制LCC-S型WPT系统的离散时间迭代模型,同时利用Pade近似将延时时间纳入数字控制系统。基于雅可比矩阵特征根的稳定性分析评估了控制器参数、延时时间和主电路参数对系统稳定性的影响,准确预测了系统的稳定范围。同时利用特征根预测了系统不稳定时的振荡周期。然后,对稳定边界受控制器参数和主电路参数变化的影响进行了研究。此外,将LCC-S型WPT系统的EDF模型、GSSA模型和离散时间迭代模型进行临界稳定预测值的对比。最后,仿真和实验验证所建立模型和稳定性分析的正确性。

基于LCC-S拓扑的大功率轨道列车无线电能传输试验平台研制

文章针对轨道列车无线电能传输系统参数及功能验证的需求,对国内外研究进展及成果进行了调研,结合轨道列车的实际需求,对系统结构、功能和电路模型进行了深入分析设计,开发了一套基于LCC-S谐振耦合拓扑的大功率无线电能传输试验平台,并进行了静态和动态工况以及不同气隙高度下的大功率负载试验,试验结果验证了轨道列车无线电能传输系统的正确性和有效性。

一种从能量传递角度出发的DLCC-WPT系统参数设计方法

针对双侧LCC型补偿拓扑的无线电能传输系统(double-sided LCC compensation network wireless power transmission,DLCC-WPT)系统谐振回路多、参数设计复杂的问题,分析DLCC-WPT系统的电路模态,从能量传递路径的角度出发,定义系统的能量传递系数。基于能量传递系数和电路等效品质因数,建立系统电压增益和电流增益的数学模型,确定能量传递系数和电路等效品质因数的合理设计范围,依靠电流增益曲线划分逆变电路功率器件,实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)的工作区域。在此基础上搭建仿真模型和实验样机,对理论分析中的参数设计范围和工作区域进行仿真和实验验证,实验结果显示,在790W的输入功率下,实现90%的传输效率和逆变电路功率器件的软开关。

基于LCC拓扑的ICPT系统混合补偿方法及验证

针对感应耦合电能传输(ICPT)系统的四种基本补偿结构在负载固定时无法调节系统传输功率的缺点,提出基于LCC拓扑的混合补偿方法,包括LCC/S与LCC/P两种补偿结构。利用高阶LCC结构与一阶串/并联结构的联合应用,不仅能够调节ICPT系统的传输功率,其相比于双LCC结构又能减小无功器件的使用,减小系统的复杂度。首先给出了基于互感模型的LCC/S与LCC/P的结构原理图,推导出两种结构的负载特性、功率特性等多个系统特征,并使用有限元仿真软件Comsol对两种补偿结构的软开关可行性、传输功率及传输效率进行了对比分析,证明了提出理论的可行性。最后,对运行频率发生偏移时的输出功率特性进行了仿真分析,为ICPT系统的补偿设计提供了思路。

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%。

无线充电LCC谐振补偿网络的特性

针对传统无线输电系统存在传输功率和效率随发射线圈上的电流变化、发射线圈的电流随负载变化的现象,提出一种新型双侧LCC补偿结构的谐振变换器拓扑。通过叠加定理分析法对系统进行建模,分析影响系统传输功率、效率的因素及输出电流与输入电压之间的增益关系,给出选取谐振元件参数的方法,通过LTSpice仿真软件对谐振式LCC补偿拓扑的WPT系统仿真,搭建系统样机验证仿真的准确性。结果表明:当副边线圈电流超前原边线圈电流90°时,系统为最大传输功率。搭建1 kW样机进行理论验证,满载时整机效率为92%。

基于抗偏移特性的电动汽车双拓扑补偿网络研究

针对无线电能传输系统中耦合机构易偏移导致系统输出电流变化的问题,研究具有抗偏移特性的电动汽车双拓扑无线电能传输系统。首先,通过对双边LCC补偿网络拓扑的分析,探讨了谐振频率、输出功率、传输效率等之间的关系,并讨论了系统在错位工况下的建模分析及相应解决方案。结果显示,S-S拓扑在错位情况下功率变化较大,而LCC-S和LCC-LCC在水平错位范围内,功率变化系数(PVF)值较稳定。S-S拓扑在零错位时传输效率最高,但随着错位增大效率会急剧下降;LCC-S和LCC-LCC在小错位情况下效率较高,但在失谐状态下传输效率受影响较大。综合来看,虽然LCC-LCC拓扑的传输效率较低,但在错位情况下波动较小,适合动态无线充电场景。

基于偶极线圈的高抗偏移性无线电能传输系统

为提高无线电能传输系统在耦合器偏移时的容错性能,保证输出的稳定性,本文提出了一种基于偶极线圈的具有高抗偏移性能的无线电能传输系统结构。首先,提出了口字型和田字型偶极线圈结构,采用有限元方法对其进行了研究,并对其磁极方向与结构尺寸进行优化;其次,基于田字型偶极线圈,在输入电压相同时,对比了LCC-S与S-S补偿拓扑的输入电流、输出功率与效率的特性;最后,对田字型偶极线圈进行了实验研究,在用线量与尺寸等条件相同的情况下,所设计的偶极线圈在X,Y轴的偏移范围为-60~+60 mm时,相较于方形线圈,耦合系数变化率减少了8.51%,功率变化率降低了11.12%,且偏移过程中效率始终大于80%。

具有强抗偏移性能的电动汽车用无线电能传输系统

针对电动汽车无线充电时线圈偏移会造成输出电压不稳定和效率迅速降低的问题,设计一个抗偏移性能优异的电动汽车用无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统,该系统采用LCC/S补偿拓扑以及扁平螺线管磁耦合结构,并在后级加入数字闭环Buck变换器,以实现精确的恒压输出。分析LCC/S补偿拓扑的输出特性,说明扁平螺线管磁耦合结构抗偏移性能优异的原因,借助有限元仿真软件优化线圈和磁芯的尺寸。为验证理论分析,搭建输出功率恒定为500W的系统样机,样机使用的磁耦合结构的外尺寸为306mm×300mm×16mm。结果表明,当传输距离176mm时,能量传输效率高达88%,即使横向偏移达到230mm,系统仍能输出恒定电压。

基于LCC-S补偿的电动汽车动态无线充电系统拓扑参数优化

针对电动汽车动态无线充电过程中耦合系数会随着车辆横向位置偏移而发生随机变化,进而导致系统输出功率和效率降低的问题,提出一种基于加权平均效率的LCC-S拓扑结构参数优化设计方法。根据车辆行驶过程中横向偏移的统计特性,提出基于正态分布3σ原则的效率权重分配方法。该方法综合考虑了高、中、低三种不同耦合水平下的系统效率优化,使优化后的拓扑参数能够更好地适应动态无线充电系统实际工作特点,提高系统在不同偏移情况下的综合效率。采用优化参数搭建动态无线充电试验系统,并将提出的方法与TWAE(Time-weightedaverageefficiency)方法进行对比分析,仿真和试验结果验证了该方法的有效性。

电动汽车无线充电自整定控制

针对电动汽车需要分段式恒流充电以及无线充电的输出电流易受自身参数和环境变化影响的问题,应用电路理论分析了双LCC拓扑无线充电系统的动态特性,并通过扩展函数描述法(EDF)建立了描述该系统受扰动时的小信号模型,进而提出了一种基于双LCC补偿拓扑结构下电流-电流环的双闭环控制策略,实现了电动汽车无线充电的自整定控制。最后通过仿真验证了该系统能够有效减小动态响应时间和输出电流纹波系数,并且搭建谐振频率为85kHz电动汽车无线充电实验平台,验证了理论与仿真的正确性。

计及谐波和死区影响的IPT系统时域建模与软开关特性分析

LCC-S补偿感应电能传输(IPT)系统的原边逆变桥输出电流包含丰富的谐波分量,采用传统的基波分析法进行分析会带来较大的误差。针对该问题,文中考虑谐波和死区的影响,将谐波含量少的线圈支路用基波模型近似表示,保留富含谐波的输入脉冲激励电压,在基波模型基础上建立简化的时域分析模型。基于该时域模型,对系统参数进行优化,实现开关管的零电压开关(ZVS)。最后,搭建了1 kW实验样机,实验结果验证了所提模型的准确性,系统在宽工作范围内实现了ZVS软开关,当输出功率100 W以上时系统效率均高于90%,且最高效率达到95.6%。

基于变结构补偿网络的WPT恒流/恒压充电系统

针对电动汽车充电无线电能传输(WPT)系统的网络补偿技术,研究了一种LCC-LCC/S型变结构补偿网络。通过开关控制,能够将松耦合变压器的原/副边补偿网络由恒流源-恒流源特性,切换为恒流源-恒压源特性,从而实现变化负载工况下的恒流或恒压输出,用以满足动力电池的充电需求。针对变结构切换过程中硬开关能量冲击导致的高电压应力问题,本文提出了根据电流极性切换开关的控制策略,进一步优化了开关切换时序,实现模式切换的平滑过渡。最后搭建一个1 kW等级的实验样机,输入为400 V稳压源、输出为模拟电池假负载;利用定宽定频控制实现了10 A恒流输出及105 V恒压输出,在负载变化扰动下的稳态输出波动较小,且实现了逆变器的零电压开通。通过模式切换暂态冲击实验验证了本文所提方案的合理性。

基于多线圈阵列的单管无线电能传输电路优化

针对多线圈的单管无线电能传输系统提出一种P#型LCC-S补偿网络和输入电流纹波抑制方法,以改善输入电流波形、降低输入电流THD及纹波,从而提高系统效率。该文首先分析P^(#)型LCC-S补偿网络的工作模态和波形,同时给出P^(#)型LCC-S补偿网络参数的计算方法;其次推导了三线圈在非均衡耦合情况下输入电流与输入电压、线圈互感、负载阻抗等参数间的解析关系,利用傅里叶变换分析了输入电流的构成,并对交流分量进行移相抑制;最后搭建实验平台并进行相关实验验证。实验结果表明,在额定传输功率下,纹波抑制后系统效率最高达88.2%,验证了该方案的有效性。

二维平面具有抗偏移恒压输出特性的感应式无线充电系统研究

为了降低感应电能传输（inductive power transfer,IPT）充电系统反馈控制的复杂性,增强系统耦合机构抗偏移能力的同时保证系统恒压（constant voltage,CV）输出,该文基于LCC-S与S-LCC拓扑电路特性提出LCC-S与S-LCC混合拓扑电路并分析其抗偏移恒压输出特性;选取double-D quadrature（DDQ）结构线圈作为耦合机构,并提出抗偏移参数设计方法,以实现系统二维平面抗偏移恒压输出。此外,该方法还具有以下明显优点：无需复杂的反馈控制,几乎没有无功输入。最后,该文搭建1k W系统原理样机,在横向和垂向考察抗偏移恒压输出特性。负载在45-120Ω范围内变化时,系统输出电压波动始终介于设定的5%以内,在选定的线圈参数条件下,线圈横向最大偏移50%,而线圈在垂向最多可减小23.33%。实验结果表明该方法有效且可行。

基于DDQ/DD耦合机构的强抗偏移电动汽车用无线充电系统

电动汽车无线充电系统在耦合机构发生偏移后,存在输出电压波动大和效率降低的问题。为此,该文提出基于DDQ/DD耦合机构(原边DDQ、副边DD耦合机构)和双路LCC/S补偿拓扑(原边DD和Q线圈均采用LCC补偿,副边DD线圈采用S补偿)的强抗偏移无线充电系统。为减小补偿元件应力,提高系统抗偏移性能,提出基于电压波动率最小原则的DDQ/DD耦合机构和补偿参数联合优化设计方法。为验证理论分析,搭建输出功率为1kW的实验样机,所用耦合机构原、副边外尺寸分别为550×550mm^(2)、350×350mm^(2),横向偏移150mm过程中,系统输出电压波动率低至7.43%。