基于LoRa和NB-Iot无线传输技术的室内供暖监测系统

随着智慧供暖的逐步发展,正确、精准地获取室内温度信息是实现智慧供暖的重要手段之一。针对现有测温系统布线困难、损耗大的问题,文章设计了一种基于LoRa和NB-Iot无线传输技术的室内供暖监测系统,该系统结合LoRa和NB-Iot两种无线通信技术的优点,将室内温湿度数据上传至阿里云平台,利用阿里云平台的Iot studio工具搭建可视化界面,使得用户及供暖管理人员能够通过PC端和移动端实时监测室内温湿度情况。

基于NB-IoT技术的智能无线电源传输系统架构设计

文章针对基于窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)技术的智能无线电源传输系统,设计一种高效稳定的电能无线传输方案,以满足物联网应用需求。通过构建包含NB-IoT通信模块、无线电源传输模块以及智能控制模块的整体架构,实现电能的远程无线输送与智能管理。实验结果显示,在距离为0.1 m时,系统的传输效率最高可达88.5%,在距离为0.3 m、负载为60 W时,系统的传输效率仍能达到71.0%。本研究为构建可靠高效的无线电源传输系统提供了理论基础和技术支持。

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%。

非厄米物理启发的高效无线电能传输

无线电能传输技术是指不需要线缆或者波导结构,利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术。作为能量传输的一种全新方式,无线电能传输技术可以极大地提高供电设备的安全性、可靠性和便捷性,其在消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度供能的场景中具有重要的应用价值。目前无线电能传输技术仍存在一定的局限性,特别是对于广为关注的磁共振耦合无线电能传输技术,面临着高效率和稳定性难以兼顾的巨大挑战。文章以近场无线电能传输技术为研究框架,深入介绍非厄米新物理在无线电能传输系统中的调控机理,及其在高效、稳定、待机功率损耗、电磁环境兼容等方面的突出优势,最后对无线电能传输未来的研究方向进行了展望。

基于谐波通讯的无线电能与反向信号同步传输技术

针对现有无线电能与反向信号同步传输(simultaneous wireless power and reverse signal transmission,SWPRST)系统存在较大无功功率、负载电压易受信号传输发生波动或需要额外增加高频信号源等问题,提出一种基于谐波通讯的SWPRST技术,通过利用逆变器输出方波电压中的基波分量传输电能,三次谐波分量传输信号。不需要外加高频信号发射电路,实现了可靠的电能与反向信号同步传输。首先,给出基于谐波通讯的SWPRST系统结构,对其工作模式和基本原理进行分析;接着,建立系统等效数学模型,分析系统参数取值对信号与电能传输之间的互扰影响;然后,对信号的调制解调电路进行设计,分析信号检测通道参数对信号传输速率的影响;最后,搭建实验平台对理论分析进行验证,实验结果表明,该方法在有效实现了无线电能与反向信号同步传输的同时,信号无误码率传输速率可达5 kbps,同时系统具有无功小,输出负载电压几乎无波动(电压波动率0.33%)等优点。该方法采用谐波作为信号载体,为多频利用式实现电能与反向信号同步传输系统提供一种新的思路,具有较好的理论意义与实际工程应用价值。

面向无线网络数据安全的非对称加密传输方法

针对无线网络数据安全传输时延较长的问题,提出一种基于矩阵计算的数据开放隐私泄露评估方法。设计基于小波变换算法的无噪声数据传输通道,获取用户信息并计算网络传输数据泄露风险;依托于非对称加密技术中典型的RSA算法,设计一个密钥生成器,分别获取数据传输相关的加密秘钥、解密秘钥;基于DFT-S-OFDM模型,完成无线网络数据加密信号的高效发送与接收。实验结果表明:该方法的数据加密传输时延保持在2ms以下,平均时延约为1.02ms,数据加密传输时延降低了76.55%、88.37%。

基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法研究

针对无线电能传输系统中能量发送端与接收端进行全双工通信的需求,提出一种基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法。利用能量耦合线圈的内侧和外侧部分线圈分别作为信号正反向传输耦合机构,并在信号接收回路中采用LC并联支路抑制同侧信号载波的串扰。通过构建系统模型,分析能量传输与信号传输的增益以及系统传输干扰,得到系统参数对传输特性影响规律。为提高信号传输增益以及减小信号正反向传输之间的串扰,优化了耦合机构线圈布置方案。最后,搭建了传输功率为20 W的无线能量与信号全双工同步传输平台,实验结果表明,在电能传输不受影响的同时,实现了正向传输速率200 kbps、反向传输速率400 kbps的信号全双工同步传输,验证了所提方法的可靠性和有效性。

串联补偿无线电能传输变换器载波通信研究

无线电能传输(WPT)负载电压、电流等状态信息需送到原边进行闭环控制和监控处理,副边到原边的通信至关重要。首先介绍了电容调制的WPT系统拓扑和工作原理,电容调制与否使得系统拓扑发生变化,未调制时原、副边拓扑为串/串(S/S)结构;调制时原、副边拓扑为串/串并(S/SP)结构。调制电容的投切形成两种状态来传递通信信息,且该状态变化可以反映到原边电流上。其次采用幅移键控(ASK)解调电路对原边电流处理即可还原通信信号,为提高解调精度和抗干扰能力,对ASK解调电路进行改进。最后通过仿真和实验验证了方案的有效性,实验结果表明,该系统在100 W的运行功率、2~5 kHz的通信频率下,可以精准完成副边到原边的通信。

基于变频重构S/SP拓扑的无线电能传输系统恒流恒压研究

针对电动汽车无线充电系统耦合系数和负载变化导致系统输出电流和电压剧烈波动的问题,提出一种由交错叠放式线圈结构和变频重构控制策略组成的无线电能传输系统,通过重构补偿拓扑,并切换工作频率,实现了系统的恒流恒压输出。首先,分析了拓扑重构前后系统的恒流、恒压输出特性和零相角特性,对比恒流恒压工作模式下补偿电容的大小,给出了系统参数调整方法。其次,剖析了交错叠放式线圈结构模型,提出基于耦合系数波动最小原则的线圈结构优化策略。所提出的系统补偿元件较少,两个工作频率点符合国际标准。最后,搭建一套500 W的实验样机,验证系统的可行性和有效性。实验结果表明,交错叠放式线圈在X轴方向偏移发射线圈外径的55%(187mm)或Y轴方向偏移120mm时,耦合系数波动率小于5%。系统在恒流模式下电流波动率为3.58%,在恒压模式下电压波动率为4.83%,满足无线充电系统恒流恒压需求。

新型无线电能传输三维耦合机构的设计与优化

为了进一步提高无线电能传输系统(WPT)的空间自由度,提出了一种新型类半球体状发射机构,从理论角度出发,利用互感叠加原理与等效电路模型分析了三维无线电能传输系统的特性;建立阵列式三维电能传输系统仿真模型,分析不同控制方式下的磁场分布规律,分别从距离特性与磁场分布研究系统传输性能,并搭建了无线电能三维传输实验系统,对该发射机构的传输性能进行验证。结果表明:新型结构最远可在400 mm处实现效率为19.2%的能量传输;在相同距离下,处于同一水平面的负载线圈在各方向接收功率最大效率偏差仅为8%,具有高均匀度磁场;该新型三维耦合机构具有空间高自由度、无方向性等良好的传输性能。

轻载工况下基于效率优化的双向无线电能传输系统半桥调制策略

针对基于全桥拓扑的双向双LCC无线充电系统调制策略在轻载工况下功率因数和效率下降严重的问题,该文在不改变全桥结构的基础上,提出一种半桥调制策略。首先对双向双LCC补偿电路进行通态效率建模,并定量分析影响效率的关键变量及其约束条件,从而为调制策略的优化提供理论依据;在此基础上,对所提双边半桥调制策略的工作原理、正导通角优化关系及软开关实现条件进行详细分析,证明该策略在保证开关器件零电压导通的同时,可显著减小外移相角,从而有效提高系统的功率因数和运行效率;最后,搭建3.3 kW的双向无线电能传输系统样机进行对比实验,实验结果表明,所提半桥调制策略在1/4满载及以下的轻载工况下效率最高可达95.6%,且在输出电压宽范围变化时都能够取得明显的优化效果。

心脏起搏器无线电能传输LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈研究

为实现植入式心脏起搏器无线电能传输系统的体积小型化以及改善系统的传输性能,该文提出一种基于LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈(PSC)的心脏起搏器无线电能传输系统。首先,建立线圈模型,研究在填充比率固定条件下PSC的匝宽和匝间距对传输效率的影响,确定最佳的线圈参数;其次,建立非集成式和集成式耦合机构的仿真模型,计算不同偏移情况下两种耦合机构的磁场分布情况;最后,搭建非集成式与集成式无线电能传输系统,验证集成结构在传输性能方面的优势。结果表明:在12mm的传输距离下,传输效率由62.3%提升至68.1%,输出功率提升了0.39W。此外,通过模拟计算无线充电过程中电场强度和比吸收率(SAR)值在人体内的分布情况,对系统进行安全评估。集成式PCS的提出有助于推进心脏起搏器无线电能传输系统的产品化进程。

集成LCC-S拓扑的二维全向无线电能传输系统无盲区能量捕获方法研究

针对二维全向无线电能传输技术存在空间磁场完整度与电流控制策略复杂度的竞争问题,该文提出一种集成LCC-S拓扑的二维全向无线电能传输系统无盲区能量捕获方法。该系统以二维正交线圈为电磁耦合机构,并将其集成于LCC-S型补偿拓扑。同时提出一种自调整参数设计方法,实现系统在二维空间内产生时均旋转磁场以及系统的零相角输入。通过场-路耦合有限元模型分析系统在二维空间内磁场分布情况,随时间峰值磁场强度矢量轨迹为圆形。搭建集成型二维全向无线电能传输的实验样机,实验结果表明,该系统实现单一电源驱动下无盲区的二维全向电磁能量捕获。

基于容性屏蔽的无线电能传输系统有源磁屏蔽结构优化

为了改善无线电能传输系统中的磁场泄漏问题,本文提出了一种基于无源容性屏蔽的强耦合有源磁屏蔽结构。首先,在无源容性屏蔽的无线电能传输系统的基础上,设计了一种强耦合有源磁屏蔽线圈结构。其次,给出了此线圈的工作原理与设计方法,推导了数学模型以及等效电路模型。从理论出发解释了容性屏蔽和有源屏蔽的原理,并对屏蔽效果及传输效率受屏蔽线圈参数变化的影响作了分析。最后,结合得到的线圈参数,在所提线圈结构的基础上,设计出了一套电动汽车无线充电系统,通过理论计算、仿真和实验,对所提线圈结构和方法的有效性进行了验证。结果显示,该线圈结构在维持96%以上传输效率的同时,能够将系统的漏磁减少大约40%,实现了降低泄漏磁场和保持高传输效率的目标。

无线电能传输系统最大效率追踪及恒压输出复合控制方法

针对无线电能传输(WPT)系统的传输效率受耦合线圈之间的互感以及负载影响的特点,该文提出一种基于阻抗匹配技术的最大效率追踪及基于前馈PI控制的恒压输出复合控制方法。首先,对双边LCC型WPT系统的参数和传输效率进行分析,通过调整系统参数优化系统的传输效率。其次,在二次侧使用DC-DC变换器采用阻抗匹配的方法实现最大效率追踪,同时在一次侧采用DC-DC变换器利用前馈PI控制器闭环控制负载端电压实现恒压输出。该方法中,效率追踪和电压控制之间相互独立,互不干扰。此外,该方法还通过系统工作时的电路参数来估算线圈间的互感值,并通过线性拟合的方法对该估算互感值进行修正,得到更精确的互感估算值。最后,通过搭建实验平台验证了该方法的可行性和有效性。与PI控制相比,前馈PI控制方法在快速性和抗扰动性上均具有明显优势。

基于无线电磁传输的防冲钻孔机器人钻进轨迹随钻测量方法

防冲钻孔机器人是高地应力矿井实现无人化卸压的必要装备,研发可靠的钻进轨迹随钻测量系统是保障钻孔卸压效果的重要措施。为此,在分析钻进轨迹算随钻测量基本原理的基础上,研制了基于无线电磁传输技术的钻进轨迹随钻测量钻杆;分析了不同电磁信号调制方式的频谱效益和抗噪声性能,设计了钻杆姿态信号的频移键控(FSK)调制和解调流程,进而开发了先放大后滤波的微弱信号调理系统,设计了相应的功能电路,并基于Multisim软件对其进行了测试,各电路模块满足设计要求。对比分析了5种轨迹解算算法的精度和执行效率,选择了均角全距法进行钻进轨迹解算,研究了基于小波滤波的惯性测量单元测量数据振动误差处理方法,验证了小波滤波算法对于提高姿态角解算精度的有效性。提出了基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法,并开展了地面试验与井下试验。试验结果表明:所设计的微弱信号调理系统可以实现煤矿井下微弱信号的接收与处理,基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法可以提高钻进轨迹的拟合精度。

矿井无线传输测试分析与矿用5G优选工作频段研究

矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统等的研发和布置,需进行矿井无线传输特性分析,优选无线工作频段,优化无线通信基站和定位分站布置。在矿井拐弯巷道、分支巷道、辅助运输大巷、掘进巷道、综采工作面中进行了350 MHz~6 GHz较大频率范围的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,揭示了矿井无线传输特性:(1)拐弯巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(2)分支巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(3)辅助运输大巷中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(4)掘进巷道中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(5)综采工作面中433 MHz~1300 MHz频段的无线传输衰减最小。(6)在巷道断面相同的情况下,拐弯巷道中的无线传输衰减小于分支巷道,支巷发射的分支巷道中的无线传输衰减小于主巷发射的分支巷道。巷道拐弯和分支均增加了无线传输衰减。提出了煤矿井下无线通信系统的优选工作频段与天线在拐弯和分支巷道中的最佳布置方式:(1)煤矿井下无线通信系统的工作频段应优选700 MHz~900 MHz。(2)为减小巷道拐弯和分支对无线传输的影响,无线通信基站和定位分站及其天线应设置在拐弯巷道的拐点和分支巷道的分支点。研究成果已被中华人民共和国能源行业标准NB/T11546—2024《煤矿用5G通信系统通用技术条件》、NB/T11523—2024《煤矿用5G通信基站》和NB/T 11547—2024《煤矿用5G通信基站控制器》应用。

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。

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。