具有强抗偏移及轻量化特性的电场耦合式无人机无线电能传输系统

针对传统磁耦合式无人机无线电能传输系统中的接收机构体积大重量大和系统抗偏移性能差的问题,文中基于电场耦合技术提出一种具有强抗偏移及轻量化特性的无人机无线电能传输系统。首先,分析无人机这一特殊应用对象的耦合机构设计要求,在此基础上提出一种新型电场耦合机构,并从电场分布、端口模型和耦合性能3方面对其开展针对性研究。然后,基于LCLC-CL谐振补偿网络完成传能拓扑设计,并对系统进行建模分析研究。最后,搭建实验系统,从系统电能传输能力测试、抗偏移性能测试等方面验证所提出方案对无人机实施无线传能的可行性和有效性。实验结果表明,接收装置易安装重量轻,系统传输功率223.3W,整机效率80.6%,且接收极板在发射极板上方区域内任意移动时输出功率和效率基本恒定。

磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法研究

在实际应用中,无线电能传输系统两耦合线圈之间的相对位置变化会使系统参数发生改变,导致系统处于失谐状态,电能传输效率降低。针对系统失谐问题,提出了一种变电容调谐控制策略,通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容,调制等效电容值与线圈感抗满足谐振条件,从而使系统始终处于谐振状态,可使系统发射端线圈和接收端线圈之间的传输效率达到最高。建立仿真模型,搭建基于串联-串联型谐振补偿拓扑结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统实验样机,进行了变电容调谐控制实验。实验结果表明,在谐振频率为100 kHz、输入电压为20 V的情况下,样机能够实现无线电能稳定可靠传输,证明了该变电容调谐控制方法的有效性。

具有平面灵活供电特性的三极板SCC-WPT系统

单电容耦合无线电能传输(single capacitive coupled wireless power transfer,SCC-WPT)技术主要通过一对极板即可实现无线电能传输,不仅可以减少耦合机构的极板数量,还可以消除耦合机构极板之间的交叉耦合电容,因此,该技术在二维平面移动设备的无线供电应用中具有较好的灵活性。基于该技术,文中提出一种可为二维平面上移动设备灵活供电的三极板SCC-WPT系统。通过分析三极板耦合机构的等效模型及绝缘介质对极板间互容的影响,给出系统的受控电压源等效电路及系统的谐振条件;结合耦合电容CM和互容系数kc给出系统的参数设计方法。最后通过实验验证提出的三极板耦合机构及系统参数设计方法的可行性和有效性。实验结果表明,负载在平面上任意位置传输性能基本不变,且功率保持稳定。相比于传统的SCC-WPT系统,该文利用新增的一块极板可以增加对地耦合电容,克服了杂散电容对系统的影响,提高了系统的性能稳定性和鲁棒性。研究成果可为二维平面移动设备的静态和动态无线电能供电提供新的方式。

Design and analysis of an underwater inductive coupling power transfer system for autonomous underwater vehicle docking applications

We develop a new kind of underwater inductive coupling power transfer(ICPT)system to evaluate wireless power transfer in autonomous underwater vehicle(AUV)docking applications.Parameters that determine the performance of the system are systematically analyzed through mathematical methods.A circuit simulation model and a finite element analysis(FEA)simulation model are developed to study the power losses of the system,including copper loss in coils,semiconductor loss in circuits,and eddy current loss in transmission media.The characteristics of the power losses can provide guidelines to improve the efficiency of ICPT systems.Calculation results and simulation results are validated by relevant experiments of the prototype system.The output power of the prototype system is up to 45 W and the efficiency is up to 0.84.The preliminary results indicate that the efficiency will increase as the transmission power is raised by increasing the input voltage.When the output power reaches 500 W,the efficiency is expected to exceed 0.94.The efficiency can be further improved by choosing proper semiconductors and coils.The analysis methods prove effective in predicting the performance of similar ICPT systems and should be useful in designing new systems.

电流型电场耦合无线电能传输技术

为了提高电场耦合式无线电能传输网络的输出稳定性,提出一种电流型电场耦合的无线电能传输网络。通过设计耦合电容之前的阻抗变换网络,能够在固定的工作频率,及在负载和耦合电容允许的变化范围内,使耦合电流近似与负载和耦合电容无关,从而避免了相对复杂的频率跟踪技术。在接收端,通过设计磁耦合式阻抗变换电路,既可实现电压型输出,又可实现电流型输出,以满足不同负载需求。在合理假设下,建立分析模型,得出主要参数的设计方法。通过仿真和实验,验证网络的工作原理和设计的正确性。

基于电容耦合的非接触电能传输系统模型研究

电容耦合的非接触电能传输(CPT)技术是基于高频电场耦合来实现的,与现有的电感耦合非接触电能传输(IPT)技术相比,CPT技术克服了磁场能量不能在金属屏蔽环境里进行传输的缺点,还可以减小能量损耗及电磁干扰(EMI)。本文分析了CPT系统的工作原理与等效电路模型。由于CPT系统包含电力电子开关和谐振网络,其时域微分方程模型呈现高阶非线性,本文给出了系统的广义状态空间平均模型(GSSA),将系统的时域非线性模型转换成为频域线性状态空间模型,并依据该模型对CPT系统进行了稳态和暂态动力学行为仿真,分析了电路参数变化对系统传输效率的影响。最后本文通过实验验证了模型及仿真结果。

感应耦合电能传输系统软开关死区时间优化

谐振网络为感性并且合理设置逆变器的死区时间能够保证感应耦合电能传输系统的软开关运行。针对死区时间设置问题展开研究提出一种在全负载和全频率范围内实现软开关的死区时间优化设计方法。首先,建立感应耦合电能传输系统系统数学模型,简述其工作原理。其次,详细分析功率场效应管开关过程中其结电容的充放电过程以及体二极管的续流过程。研究表明最优死区时间应该介于结电容放电完毕之后和体二极管续流结束之前。然后,讨论死区时间的优化设计方法。最后,对一台57W的感应耦合电能传输系统实验样机进行死区时间优化设计。实验结果表明,基于此设计方法感应耦合电能传输系统的功率场效应管能够实现软开关。

非接触传输系统的广义状态空间平均法分析

采用广义状态空间平均法(GSSA)基于频域分解的思想将系统非线性模型近似成线性连续模型,并依据该模型分析了非接触电能传输技术(CPT)系统的稳态和暂态过程.仿真结果表明,GSSA模型能较快地完成对CPT系统的稳态及暂态分析,且与Simulink创建的精确时域模型的仿真结果一致.在此基础上,给出了系统效率计算方法,分析了直流电感、负载参数对系统效率的影响.

电容耦合谐振式高压无线输电系统的设计与实施

可靠的电源供应一直是限制输电线路在线监测系统广泛应用的瓶颈问题。为解决该问题,本文提出了一种新型的电容耦合谐振式无线能量传输系统。该系统利用高压线路与大地电位稳定的特点,构建虚拟回路,将传统的四极板耦合结构简化为双极板结构。同时,利用电荷分布在耦合极板上的边缘效应,进一步将全面板耦合极板简化为环形空心极板,使系统结构更为简洁,并具有良好的户外防风能力。本文建立了简化系统的电路模型,并对系统的功率、效率特性进行了分析。并且,通过多组对比实验对所提出的系统结构和电路模型的有效性进行了验证。理论和实验结果都表明了简化后的系统结构能有效地实现电能的无线传输,并且拥有比传统的双极板系统更高的传输效率和更远的传输距离。

电场耦合式无线电能传输恒压输出电路的研究

基于谐振原理,对带有复合谐振网络的电场耦合式无线电能传输(CCPT)系统进行了研究。利用LCL网络实现发射端恒流,利用CL网络实现负载恒压,提高了系统的稳定性。整个系统结构简单,无需复杂的控制电路即可实现稳定输出,特别适合于耦合电容和负载经常变化的恒压输出场合。通过分析网络电路模型,推导出了耦合电容电流和负载端电压的计算公式,并进一步得到了各元件参数设计公式。最后通过仿真和实验,验证了分析方法的正确性和设计的有效性。

松耦合感应电源系统在扭矩遥测中的应用研究

结合现代扭矩测量技术,提出一种将松耦合感应电源系统应用到扭矩遥测中的方法。建立感应电源的电路模型,介绍补偿电路的计算方法,并分析负载变化对传输功率的影响。

基于LC补偿的单开关ECPT系统研究

单开关DC-DC变流器的电场耦合式无线电能传输系统可以提高系统的工作频率,但开关管承受的截止电压很高。提出了一种使用LC补偿网络的单开关Buck-Boost电场耦合的无线电能传输系统,引入的LC补偿网络可以降低开关管的电压应力。另一方面,一定程度上减小了输出受负载变化的影响。同时,变流器等效工作在电流源模式,耦合电容较小时可以有效地传输功率。且电路能够实现软开关,电路的控制更加容易和安全。仿真和实验结果表明了理论分析的有效性。

基于全耦合电容模型的双发射电场耦合式无线电能传输系统

传统基于电场耦合式的电容能量传输(CPT)系统只含单个逆变电源与单个发射端,由于CPT系统逆变器的容量有限,所以较难满足轨道交通大功率非接触供电应用的需求。为了提高CPT系统的传输功率,提出一种双发射单接收CPT系统,通过两个逆变器并联的方式来提升系统输入功率总容量,实现CPT系统大功率输出。将六极板结构全耦合电容模型简化为三端口等效电路,采用Maxwell有限元分析方法仿真耦合电容值,针对两个发射机构间相互耦合的影响,给出系统谐振电路参数配置方法。最后,详细分析了该系统的工作原理并搭建了系统工作频率为500 kHz的原理样机,在输出功率为1.47 kW的情况下,直流到直流的效率为90.6%。在传递相同功率的前提下,双发射CPT系统流过开关器件的电流为单发射系统的一半,实验结果表明该方法有效且可行。

基于CLLC-CL补偿拓扑的电场式移动供电系统研究

为了实现高速磁悬浮列车完全非接触运行,避免受流轨磨损、噪声等问题,同时尽可能减小能量接收端元件重量和空间,该文针对磁悬浮列车提出一种基于CLLC-CL补偿拓扑的电场式无线供电(capacitivepowertransfer,CPT)系统。相较于已有的补偿拓扑,提出的补偿拓扑可有效减小接收端的元件数量和占用空间。根据磁悬浮列车的结构,采用两块发射极板在中间,两块接收极板在两侧的侧面安装方式,基于CLLC-CL补偿拓扑,搭建一个缩小的移动供电模型,其传输距离为35mm、耦合电容为13.35pF。该系统在工作频率1MHz,输入电压350V、负载为150W时,可输出1.41kW功率的能量,直流-直流效率达到91.67%。实验表明,基于这种耦合机构所设计的CPT移动供电系统具有较好的传输能力,且具有较好的稳定性。

电场耦合无线电能传输技术综述

近年来,电场耦合无线电能传输(EC-WPT)技术迅速发展,在传输功率和传输距离上有了数量级的提升。该文总结了国内外相关文献中关于EC-WPT技术的概念,简要介绍了ECWPT系统的基本工作原理,论述了EC-WPT技术在系统建模、电场耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法、电能与信号并行传输方面有指导价值的理论研究成果,分析了EC-WPT技术在消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车、水下设备领域的应用,重点围绕单电容无线电能传输、跨越金属传能、电场耦合机构损耗模型、磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统、安全问题五个方面阐述和讨论了EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

基于双边LC补偿的单电容耦合无线电能传输系统

单电容耦合无线电能传输(SCC-WPT)消除了传统电场耦合式无线电能传输(EC-WPT)中交叉耦合电容的影响,更适用于二维平面移动设备的无线供电。但现有的SCC-WPT系统由于其功率等级小、传输效率低限制了该技术的进一步发展。该文对SCC-WPT系统的拓扑结构和参数设计方法进行研究,给出一种可使系统输出功率和效率大幅度提升的拓扑结构和两种参数设计方法。基于提出的拓扑和参数设计方法搭建实验样机,通过实验对系统的能效特性、输出特性和抗偏移性能进行研究。实验样机在采用LCC配谐方法时输出功率达到1.43kW,效率达到85.9%,且具有恒流特性;采用LC配谐方法时,系统输出功率达到1.24kW,效率达到91.9%,且具有恒压特性;同时两种配谐方法都使系统具有较好的抗偏移特性。该文的研究成果给SCC-WPT技术提供了新的研究思路,有利于促进SCC-WPT系统的机理研究和该技术的进一步发展。

基于电场耦合式的电动汽车无线充电技术电压优化方法

目前,基于电场耦合式无线电能传输是一种快速发展的技术,因其对比磁场耦合式无线电能传输技术更具经济性、可靠性与安全性,从而在多金属环境中得到广泛应用。由于电场耦合式无线电能传输系统利用高频电场传输电能,所以在耦合极板上存在非常高的高频电压,同时也会在诸如电动汽车表面等金属上感应出高电压,这将导致严重的安全问题。为解决上述安全问题,该文提出了基于电场耦合式的电动汽车无线充电技术优化方法来减小无线充电时车壳上的电压,并通过CLL补偿结构优化系统谐振。最后,设计并实现了车壳电压仅为3.88V,输出功率1.3kW,系统整体效率为87.7%的电场耦合式无线电能传输系统,验证了优化策略的可行性。

电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合机构

基于电场耦合原理对水下无线电能传输系统进行建模分析,并简述其基本工作原理。对水下无线电能传输系统的关键部分耦合机构进行重点研究,包括水下耦合机构等效电容值的计算、电场分布情况、传输距离对其影响及功率损耗分析,并与空气中耦合机构进行对比。得出结论如下:(a)水下耦合机构的等效电容值比在空气环境中大,并且不受传输距离的影响;(b)增大工作频率和接收端负载,可以减小耦合机构的损耗。设计水下电场耦合无线电能传输实验系统,验证了上述结论。

电动汽车磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术综述

磁场与电场混合耦合无线电能传输技术是一种结合电场耦合以及磁场耦合实现无线电能传输的技术,具有空间结构紧凑和抗偏移能力强等优点,能够弥补传统电动汽车无线充电系统抗偏移性能差和功率密度低的缺点。首先以磁场耦合式与电场耦合式无线电能传输技术为切入点,阐明各自的工作原理、技术优势及缺陷不足,介绍磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术的发展背景;其次针对电动汽车无线充电的应用,从耦合机构、补偿网络、电力电子变换器及其控制策略、传输水平对国内外研究现状展开论述;最后指出目前亟待解决的问题以及未来的发展趋势。

经胎电场耦合式电力传输系统的研究

针对电动汽车磁电式动态无线电力传输系统电磁辐射严重和成本高等问题,本文中利用轮胎内置钢带与地面铜箔之间的板间电容,建立了经胎电场耦合式电力传输(ECPT)系统,实现车辆行驶过程中的动态无线电力传输。首先分析了轮胎与地面铜箔之间的板间电容情况,接着根据电容耦合双谐振拓扑结构二端口网络的阻抗匹配情况分析了板间电容和工作频率等对ECPT系统负载功率和传输效率的影响,并给出了ECPT系统的电路拓扑设计和参数优化方法。最后通过仿真和实验,验证了ECPT系统的实际效果,实现了60W的无线电力传输。