Intelligent Reflecting Surface Assisted Transmission Optimization Strategies in Wireless Networks

Wireless Power Transfer(WPT)technology can provide real-time power for many terminal devices in Internet of Things(IoT)through millimeterWave(mmWave)to support applications with large capacity and low latency.Although the intelligent reflecting surface(IRS)can be adopted to create effective virtual links to address the mmWave blockage problem,the conventional solutions only adopt IRS in the downlink from the Base Station(BS)to the users to enhance the received signal strength.In practice,the reflection of IRS is also applicable to the uplink to improve the spectral efficiency.It is a challenging to jointly optimize IRS beamforming and system resource allocation for wireless energy acquisition and information transmission.In this paper,we first design a Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH)clustering protocol for clustering and data collection.Then,the problem of maximizing the minimum system spectral efficiency is constructed by jointly optimizing the transmit power of sensor devices,the uplink and downlink transmission times,the active beamforming at the BS,and the IRS dynamic beamforming.To solve this non-convex optimization problem,we propose an alternating optimization(AO)-based joint solution algorithm.Simulation results show that the use of IRS dynamic beamforming can significantly improve the spectral efficiency of the system,and ensure the reliability of equipment communication and the sustainability of energy supply under NLOS link.

基于交互式设计超材料建模与分析的MCR-WPT效率提升研究

超材料具有特殊的磁场调控能力,被广泛关注并应用于磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)领域,但寻求针对特定领域目标需求的超材料设计具有挑战性.目前,超材料的一般设计方法为S参数反演法和等效电路法,设计流程通常需要多次建模仿真得到目标参数,该过程较为繁琐耗时.对此,深入分析上述两种设计方法的特性并将二者结合,采用HFSS与MATLAB软件交互设计和优化用于MCR-WPT特性提升的超材料,有效简化了超材料的设计过程.以无线电能传输效率优化为目标设计方形和Koch两种超材料单元,分析对比两种单元的电磁特性.搭建工作频率为6.78 MHz的MCR-WPT系统实验平台,探究两种超材料对传输效率的影响.实验结果表明,方形超材料和Koch超材料分别实现了28.4%和24.6%的最大传输效率提升,证明了交互设计可以更简便地设计超材料并且用于无线电能传输系统传输效率的提升.

电动汽车多车位WPT下沉式磁屏蔽系统研究

在电动汽车无线电能传输系统中,实现高效传输的同时减少磁泄漏一直是一个技术挑战。针对这一问题,本文提出了一种应用于多无线电能传输系统的下沉式屏蔽线圈结构,该结构在减小目标面漏磁的同时不会影响系统的传输效率。首先,提出了一种基于矢量磁位的矩形线圈磁场计算方法,通过此方法对系统目标面漏磁进行分析,为后续的磁泄漏优化提供了理论依据;其次,介绍了一种漏磁优化的方法,运用该方法得到满足要求的各线圈参数,为实现高效的无线电能传输提供了关键支持;最后,根据得到的线圈参数,研制了一套带磁屏蔽结构的双车位电动汽车无线充电系统,通过仿真和实验,让提出的屏蔽结构和方法的有效性得到了充分证实。结果显示,当系统输出功率恒定在4 kW时,所提出的屏蔽结构不仅使目标区域最大泄漏磁场降低了25%,且传输效率高达95%。

基于WPT技术的超高压输电线路监测设备供电系统的研究

根据要求,500 kV及以上输电线路必须装设在线监测设备,从而很好地辅助维护人员及时了解输电线路的实时状态。为保证在线监测设备在各种情况下高效运行,需要配备一套稳定、可靠、抗干扰能力强的供电系统。立足无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术,并遵循国家倡导的绿色电网理念,提出一种射频取电无线电能传输技术,并围绕该技术的原理、设计展开论述,以期优化超高压输电线路监测设备的供电方式,进一步保障对超高压输电线路的实时监测,推动超高压输电线路的稳定运行。

低速转动多负载MCR-WPT系统研究

目前,磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetic coupling resonance-wireless power transmission)的研究主要集中在单发射多负载静止和单发射单负载转动2种形式。通过对单发射低速转动多负载状态下的系统进行研究,建立单发射多负载系统并进行理论分析,使用COMSOL对静止状态下多负载接收线圈进行仿真,设置静止状态与旋转状态作对比实验,分析接收端转动对MCR-WPT系统传输效率的影响,探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明,在低速转动三负载时,系统能够保持稳定的功率输出,单个负载的传输效率可以达到23.260%,总传输效率达到69.768%,低速转动对传输效率影响较小。

基于E类逆变器的WPT系统线圈抗偏移研究

现有无线电能传输(WPT)系统中普遍存在元器件参数选型难,且常见线圈类型抗偏移能力普遍较弱。本文基于推挽式E类逆变器构建SS型拓扑结构磁耦合谐振式WPT(MCR-WPT)系统,计算系统中元器件参数,并推导其最大效率负载条件,同时提出同半径圆角矩形线圈设计,对同面积内不同条件线圈传输效率及抗偏移能力进行比较。仿真结果表明:耦合线圈结构与参数对传输性能有明显影响,在同等最佳负载条件下,所提线圈较其他常见类型线圈传输性能有所提升,最后通过实验验证仿真结果。

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。

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。

基于多频磁负超材料的心脏起搏器无线供能研究

针对植入式心脏起搏器无线供能系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题,该文提出一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统。首先,根据磁负超材料等效介质理论,推导了正八边形超材料设计的基本公式,建立了MB-MNG基元模型;其次,以S-S结构为例,通过仿真和实验研究了6.78 MHz、8.94 MHz和13.56 MHz频段下系统传输效率;再次,为了研究可靠性,讨论了系统与MB-MNG之间的错位情况;最后,为确保安全性,使用多物理场仿真软件研究系统的电磁安全特性,并进行温升实验。实验结果表明:在三工作频段下,基于MB-MNG的WPT系统的输出功率为3.29W、2.77W和2.87W,与传统WPT系统和加入铁氧体薄板WPT系统对比,传输效率提高了24.6%~36.5%。同时,在系统发生偏移时,仍能保持30.73%~48.41%的传输效率;60 min充电测试内组织SAR值及最大温升均符合安全标准。

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。

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。

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YBCO高温超导线圈的新型无线供电悬浮系统电能传输特性研究

近年来,以氧化钇钡铜(YBCO)为代表的第二代高温超涂层导体以其在20~77K温区下极高的载流能力以及优越的力学性能和电磁性能,被广泛应用于电力、医疗、交通、军事、能源等领域。该文设计并构造了一种基于YBCO高温超导线圈的小型充电悬浮系统,该系统可以同时实现无线充电和自稳定悬浮功能,可应用于为小型物体无线供电悬浮展示。通过理论推导和有限元仿真分析发现,将低电阻、高载流密度的高温超导线圈引入无线充电系统中,可使系统的输出功率和输出效率都有显著的提高,最大分别提高了3倍和2.6倍,在低频段提升效果尤为明显。此外,实验表明该系统在10 mm悬浮高度范围内可以保持稳定悬浮和负载电压的高效输出,解决了现有电磁悬浮和电动悬浮技术中需要设计特定磁路结构和安装内置电池或电源而导致装置复杂及持续供电时间较短等问题,为超导无线电能传输技术的应用开辟了新方向。

MCR-WPT系统负载特性分析及线圈参数设计

在磁耦合谐振式无线能量传输技术中,系统电气参数的变化会对传输性能产生重要的影响,因此,研究二者之间的关系对提高系统的传输性能具有重要意义。线圈作为该技术的核心部件,其参数的设计受到诸多因素的限制,如何兼顾系统的功率和效率对线圈参数进行合理的设计一直是该技术的难题。为此,文中基于等效电路理论建模,着重研究了系统的负载特性,结果表明:在磁耦合谐振式无线能量传输系统中,不存在最佳负载使系统的输出功率和传输效率同时达到最大。利用MATLAB验证了理论分析的正确性。其次,通过MATLAB仿真分析了线圈的匝数、平均半径对系统传输性能的影响规律。研究表明:在普通负载状态下,系统的输出功率随着线圈匝数和平均半径的增加均表现出先增加后减小的趋势。在此基础上,以60 W负载灯泡为例对线圈参数进行设计,在传输距离为0.5 m时,传输效率可达到94%。理论计算结果证明了参数设计的可行性和实用性。

大传输距离下电动汽车无线充电系统优化

针对无线充电系统原边线圈嵌入路面结构后耦合线圈之间的距离增大、耦合程度减弱的问题,对线圈结构进行优化,以实现大传输距离下无线电能的传输。通过电磁有限元仿真对线圈的内径、外径和匝数进行优化,提出以耦合系数为优化目标的线圈结构参数优化流程,同时,在Simulink中搭建无线充电系统的电路仿真平台,对采用优化后线圈结构的无线充电系统性能进行测试。结果表明:随着线圈内径增大,耦合系数先增大,达到峰值后迅速减小;随着线圈外径增大,耦合系数逐渐增大;在不同外径下,线圈的最优匝数均为9匝;3个参数中,增大外径是提高线圈耦合程度最有效的方式;最终优化后线圈的参数为外径480 mm、内径210 mm、匝数9匝,可以实现300 mm距离的电能传输,系统输出功率保持在2.96~3.70 kW,传输效率达到86.54%,横向容许偏移距离可达60 mm。

基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构研究

针对主动磁屏蔽需要设置额外激励源、被动磁屏蔽所采用的磁屏蔽材料价格昂贵等问题,在传统DD线圈结构基础之上,提出了一种基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构。首先,提出了具有磁屏蔽效应的无线输电耦合机构拓扑,基于耦合机构等效磁路模型,从理论上分析了其产生磁屏蔽效应的原理;其次,采用微元法推导了耦合机构在空间中任意平面的磁场强度表达式;最后,搭建实验平台,验证了耦合机构的无线输电性能及磁屏蔽效果。结果表明,Halbach效应线圈在保证输电效率与DD线圈基本一致的同时,能有效削弱耦合机构外的磁场强度,提高磁屏蔽效果。

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。

MCR-WPT发射/接收线圈性能仿真建模分析

以两线圈等效电路模型为研究对象,重点考虑谐振线圈中通过的高频电流会受趋肤效应与邻近效应的影响,致使导体的有效截面积减小,增大线圈的高频损耗。为了掌握趋肤效应与邻近效应对系统传输的具体影响,在理论分析的基础上研究了线圈参数对系统传输性能的影响规律,并利用Maxwell电磁场仿真软件对圆形导线横截面模型在不同频率情况下进行仿真分析,得到了趋肤效应与邻近效应各自产生的损耗随绕组厚度和频率的变化趋势,由此提出可用铜管来代替相同外径圆形实心导线,以提高材料的实际利用效率。通过理论与仿真结果对比,验证了铜管替代实心导线提高无线电能传输线圈中导线有效截面利用率的可行性,此方法可减小导线在高频电流条件下产生的电阻损耗。

基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)因其具有在中长距离传输较大电能的优势,获得较高的潜在应用价值。针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统,首先分析其传输效率,得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统取得最大效率的必要条件;进一步分析并证明在线圈互感一定的情况下,存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值;然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载,提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案;最后通过仿真和实验验证了方案的有效性和可行性。

基于麻雀算法的MCR-WPT系统传输特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统传输效率低的问题,提出了一种基于改进麻雀搜索算法(SSA)的参数设计方法,实现了系统传输效率的优化。建立了两线圈MCR-WPT系统的电路模型,推导了输出功率、传输效率与频率、耦合系数、负载阻值之间的关系式。通过控制变量法研究分析了频率、耦合系数、负载阻值对系统输出功率和传输效率的影响。运用混沌反向学习策略改进了SSA,并通过改进算法对上述3个参数进行寻优得到了最优解及其对应的系统参数值。仿真结果表明:该算法可以有效提升MCR-WPT系统的传输效率,且最高传输效率可达91%。