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。

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。

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%。

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。

油田井下WPT系统磁耦合机构优化设计

为优化油田井下无线电能传输系统磁耦合机构,提出一种改进型螺线管型磁耦合机构,采用Maxwell电磁场仿真工具提出一种优化设计方法,并通过研究LCC-S高阶补偿拓扑的特性得到了LCC-S的补偿设计公式和主要电路特性,最后使用PSIM(Power Simulation)仿真软件通过闭环PI(Proportion Integration)控制验证了提出的耦合结构和补偿拓扑的设计可行性和正确性,结果表明,该磁耦合机构适合油井下供电场景。

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。

正交试验法优化叠层线圈式磁耦合机构参数

无线充电系统(wireless charging system,WCS)可以提升充电装置的便捷性与安全性。针对快速且准确地优化设计叠层线圈式磁耦合机构(solenoid and double D pads,SDDP)参数问题,采用正交试验法及磁场仿真软件,研究了正交试验法优化叠层线圈式磁耦合机构参数的效果,给出了优化过程及磁耦合机构优化后的仿真结果分析。结果表明,采用正交试验法对叠层线圈式磁耦合机构的匝数配比进行优化设计,所需仿真次数由256次减少至16次,节省了时间与人力成本,且优化后机构具有良好的抗偏移性能:沿x方向单轴偏移180 mm过程中,互感波动范围为-20%~10%,沿y方向单轴偏移120 mm过程中,互感波动范围为-20.4%~18.9%。

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。

港口RTG无线供电技术研究

针对港口RTG(rubber tyre gantry)已有滑触线式供电系统,设计改造为无线电能传输系统。考虑负载所需输入特性,采用LCC-S&S谐振拓扑实现恒压输出。根据RTG工作特性,将动态供电问题简化为准静态供电问题。由于RTG存在停靠偏移的情况,选取DDQ(double-D-quadrature)线圈结构作为耦合机构;考虑RTG高度变化,线圈间距在8~12 cm范围内变化,通过磁耦合机构设计,使输出电压始终保持在工作范围内。最后,搭建了1 kW样机系统,考察横向抗偏移特性,线圈横向最大偏移为40%,效率保持在90%以上。实验结果表明设计方案可行有效。