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.

面向教学的磁耦合谐振式无线电能传输系统研究

围绕电路分析与测量实践教学,研究了一套兼具挑战性和展示度且适合低年级本科生自主探索的无线电能传输系统设计方法。该方法将复杂传输问题进行有效简化,聚焦电路及磁场分析,在各个环节中将理论分析、仿真分析与实验探究相互结合,做到理论结合实际。并开发了一套灵活方便的计算线圈电感工具和电力电子逆变模块,能够较好地满足实际教学的需要,支撑本科生自主设计搭建系统并展开研究。通过该方法和相应研发的工具,学生可自主设计一套兼具挑战性和展示度的无线电能传输系统,有效培养学生的电路分析与设计能力以及解决实际问题的能力。

无接触电能传输技术的研究进展

无接触电能传输技术具有广泛的应用前景。目前主要的无接触电能传输方式有远场辐射、电磁共振和电磁感应直接耦合三种。远场辐射采取微波或激光来传递能量,频率最高,传输距离最远,效率也较低。电磁共振采用频率为MHz范围的谐振频率实现电能在波长范围内的中等距离高效率传输。基于电磁感应原理的电能传输技术相对比较成熟,频率较低,传输距离相对很小,传输效率较高。本文主要分析了这三种电能传输方式的特点及国内外研究现状,给出了该技术的应用前景及存在问题,也展示了一些研究结果。

基于LCL谐振型感应耦合电能传输系统

在传统感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统拓扑中,系统谐振频率漂移会引起传输效率下降。针对该问题,提出一种新型的基于LCL谐振型ICPT系统拓扑。采用基波分析法对其等效电路模型进行分析,得出不同品质因数下,系统的电压、电流增益与开关频率的特性曲线,并分析得出该拓扑具有较高的功率因数。为实现了ICPT系统软开关,提出了谐振元件参数优化设计的方法。基于所优化的参数结果,分析了品质因数和耦合系数的选择对谐振元件电压电流应力的影响。最后,设计了一台基于LCL谐振型ICPT系统样机,实验结果证明了所提方法的可行性。

感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究

比较了感应耦合电能传输(ICPT)系统的拓扑。讨论了ICPT系统中几种不同的补偿形式,包括单谐振补偿和多谐振补偿拓扑,并推导出匝比为1时每种拓扑的电压电流增益。为了最小化器件的电压电流应力和优化参数设计,介绍了谐振电路功率因数的概念。由分析结果及得到的曲线图可知,在单谐振补偿拓扑中,一次侧串联补偿与其余几种相比更能抵消漏感的影响。而几种多谐振补偿拓扑的效果则明显优于单谐振补偿拓扑。分析和比较了不同参数变化时的特性曲线,以便于进行电路设计。最后以一次、二次侧都进行并联补偿的一种电流型ICPT电路为例进行实验验证,以说明实际系统的性能。

无线电能传输技术的研究现状与应用

无线电能传输技术是一种通过电磁效应或者能量交换作用实现从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方式,相比传统导线输电方式,其具有安全可靠等优点,尤其适用于一些特殊的应用场合,因此受到了越来越广泛的关注。在目前已有的无线电能传输技术中,研究较多的主要有磁场耦合式和电磁辐射式,其中磁场耦合式以磁感应耦合式和磁耦合谐振式为主,电磁辐射式以微波辐射式和激光方式为主。该文首先叙述了这4种主流无线电能传输技术的基本结构和工作原理,并对它们进行对比分析。然后,分别对4种主流无线电能传输技术的研究现状和待研究的关键问题进行分析,并总结了这些技术在一些重要领域的应用研究,如交通运输、医疗电子、消费电子和空间太阳能等领域。最后讨论无线电能传输技术的应用前景与发展趋势。

无线电能传输中线圈设计对效率的影响综述

无线电能传输技术是当前输电领域中的尖端技术,高品质因数线圈的设计是无线电能高效传输的关键技术之一。本文首先介绍了几种常见的无线电能传输技术,重点对磁耦合式系统的传输方式、适用范围、基本原理和研究方法进行了综述。然后,阐述了磁耦合无线电能传输技术中线圈的优化设计,主要有以下几部分,一是线圈自身参数的设计,包括线圈的形状、结构、匝数、匝间距、绕制方法、材料选择等等,二是谐振链路结构的设计,比如2线圈、4线圈的选择,中继线圈的引入,铁氧体的使用,以及多发射线圈、多接收线圈系统的研究。本文最后引用了实验结果分析比较了各种线圈设计的不同。

串-并补偿结构大功率感应充电系统谐振变换器

通过互感模型建立了一、二次侧分别采用串联与并联补偿结构的一次端口等效电路[9,10],依据谐振特性表达式提出了一次侧品质因数的设计准则。控制策略上采用变频控制方式,应用状态机结构控制一次侧谐振电流极值,确保谐振变换器工作在谐振频率附近,从而使得在无需获得二次侧信息的情况下即可保证系统最大功率传输。最后,设计了一台功率25kW、气隙12mm的感应充电系统,并通过实验验证了所提出控制方法的可行性。

无线电能传输技术的研究现状与应用综述（英文）

无线电能传输技术是一种通过电磁效应或者能量交换作用实现从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方式,相比传统导线输电方式,其具有安全可靠等优点,尤其适用于一些特殊的应用场合,因此受到了越来越广泛的关注。在现有研究和综述的基础上,回顾了4种广泛应用的WPT技术在近场耦合和远场辐射方面的研究现状和应用。近场耦合技术主要包括磁感应耦合和磁耦合谐振类型,远场辐射技术包括微波辐射和激光发射类型。总结了这4种主要无线电力传输技术的基本结构和工作原理,并对它们进行对比分析。然后分别对4种主流无线电能传输技术的研究现状和待研究的关键问题进行分析,并总结了这些技术在一些重要领域的应用研究,如交通运输、医疗电子、消费电子和空间太阳能等领域。最后讨论了无线电能传输技术的应用前景与发展趋势。

考虑阻感性负载IPT系统的动态补偿技术

针对整流性负载呈现出阻感特性引起感应电能传输(IPT)系统失谐,为了保持谐振频率,提出一种基于实测负载阻抗的动态补偿技术.该技术利用短时傅立叶变换得到负载的电流电压相量并计算出负载的感抗,通过动态调整电容阵列静态开关的方法改变其容值,达到补偿负载感抗目的.在阻感负载情况下,分别对浮频调谐控制方法以及动态电容阵列补偿方法进行实验比较,结果表明:相对浮频调谐控制方法,当负载为100和50Ω时,本动态调谐方法传输的有功功率提高了12.1%和7.3%,且能保持初级谐振电路频率稳定,开关器件工作在软开关状态.

无线电能传输感性系统特性分析

针对无尾家电中感性电机负载无线供电问题,本文分析了电机对谐振式无线能量传输系统的主要影响参量,以提高感性负载下能量传输的稳定性。首先,本文基于串励直流电机模型,分析电机转矩、转速及直流电压间关系,获得了等效电机阻抗模型。然后,利用Simulink仿真软件对电机启动及调速控制进行仿真,获得了在无线供电情况下的电机转矩-转速机械特性曲线。最后,本文设计并实现了直流电机无线供电系统硬件平台搭建以满足不同负载转矩需求,传输距离为6cm。

采用新型负载恒流供电复合谐振网络的无线电能传输系统

针对传统LC谐振拓扑无线电能传输(WPT)系统在负载动态变化时,无法实现负载恒流供电及系统工作频率失谐问题,提出一种新型一次侧LCL、二次侧LCC复合谐振网络无线电能传输系统。首先,在基波条件下,依据漏感模型建立了磁路机构等效电路,得到了谐振频率和输出电流表达式;然后,通过系统参数优化设计,进一步推导出了复合谐振网络中实现负载恒流供电以及系统谐振工作频率稳定的条件。仿真结果表明,基于参数优化设计的新型复合谐振网络无线电能传输系统,能够实现负载无线恒流供电,并且系统工作频率稳定。实验结果验证了理论分析和仿真分析的正确性和有效性。

同步整流技术在ICPT系统中的应用

将同步整流(SR)技术引入到ICPT系统中,以解决ICPT系统二次AC-DC电路采用二极管整流(DR)时,系统整体效率较低等问题。本文针对SP型ICPT系统,分析了二次AC-DC电路基于同步整流技术的工作原理。结合系统的谐振特性,提出了在无需其他辅助电路的条件下,AC-DC同步整流电路ZVS软开关控制方法。结合频闪映射方法及周期不动点理论,给出了ZVS软开关工作周期的计算方法。实验验证了本文ICPT系统同步整流技术的可行性。通过同步整流与二极管整流方式的实验对比,结果表明,采用同步整流方式可有效提高系统效率,减小散热器体积及重量,提高系统的功率密度。

一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构参数设计方法

针对现有对称型LCL谐振结构引起电磁感应式无线电能传输(ICPT)系统逆变器功率管非零电流关断问题,提出了一种LCCL谐振结构基波电流补偿高次谐波电流的方法。摒弃了传统对称型LCL谐振结构保持输入、输出阻抗呈现纯电阻特性的思路,通过采用基波无功电流的超前输入电压相位来补偿高次谐波电流落后输入电压相位的方法,提出了一种四阶LCCL谐振结构参数设计方法。所提出的方法可以实现ICPT系统逆变环节的零电流关断。针对所提出的LCCL谐振结构参数设计约束条件较多、设计过程较为困难的问题,提出了非线性规划求解LCCL谐振结构参数方法。对所提出的方法进行了仿真与实验分析。仿真和实验表明,采用所提LCCL谐振结构参数设计方法,在ICPT系统逆变器关断瞬间,功率管进入反并联二极管续流状态,通过功率管的电流瞬时值为0,实现了ICPT系统逆变模块的零电流关断。

动态负载ICPT系统稳频稳压特性研究

为保证感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统在动态负载工作模式下频率和输出电压的稳定性,提出一种通过对ICPT系统谐振耦合拓扑机构优化选型,并对系统参数进行优化设计,从而实现系统稳频稳压(stable frequency stable voltage,SFSV)输出的新方法。通过对系统谐振网络等效电路进行分析,给出动态负载工作模式下ICPT系统谐振耦合机构优化选型依据,并给出系统谐振耦合环节参数优化设计步骤和方法。最后,通过实验验证理论分析的正确性。

基于动态方程的电流源感应耦合电能传输电路的频率分析

分析了一种电流源感应耦合电能传输(inductivelycoupledpowertransfer,ICPT)系统的动态特性,着重探讨了电路的谐振频率。基于其一个周期内各阶段的状态方程,得到每个阶段各状态变量的通解,详细讨论了其不同的谐振频率。除了一个共有的频率之外,在变压器的一次、二次侧还分别有各自的谐振频率,该文根据实际参数的取值范围,得到频率在不同条件下的简化表达式。经分析,这两个频率在某些条件下只与各自这一侧的参数相关。对电路的参数设计给出了一些限制条件,实验验证了分析的结果。

一种采用最小电压与最大电流跟踪的IPT系统动态调谐方法

为解决感应电能传输(IPT)系统谐振频率漂移问题,在系统固定工作频率下,分别在发送端与接收端回路加入相控电感电容并联电路;实时检测DC-DC变换器输出直流电压传送给发送端控制器,控制器根据最小电压原则调节发送端回路的等效输出补偿电容值;同时,实时检测接收端线圈电流传送给接收端控制器,控制器根据最大电流原则调节接收端回路的等效输出补偿电容值,最终使得整个IPT系统处于谐振状态。实验结果表明,所提方法有效实现了动态调谐,降低了电源所需容量,提高了系统的传输效率和功率。

松耦合感应电源性能的影响因素分析

本文针对串并补偿结构的松耦合感应电源系统,建立了互感模型,分析了输出功率和传输效率达到最大值的条件,得出了系统在谐振频率工作时输出功率和传输效率只与映射阻抗的实部和线圈内阻有关的结论。最后根据实验参数,分析了工作频率、线圈内阻和负载变化对系统性能的影响。

多负载无线电能传输系统的稳定性分析

多负载感应式无线电能传输系统由于加入了谐振补偿拓扑,可能存在多谐振点,从而导致系统频率控制中的不稳定现象。为此,本文重点研究了多负载无线电能传输系统的稳定工作条件。本文利用互感耦合模型获得了多负载系统次级侧到初级侧的等效反映阻抗;为了保证最大功率传输能力,获得了初、次级系统谐振频率一致时的初级谐振电容值;最后,根据多负载系统初级侧存在唯一零相角谐振点的条件,得到了多负载系统的稳定条件:当所有初、次级绕组之间的耦合系数的平方和与次级系统品质因数满足稳定条件时,系统工作在稳定区域,仿真分析验证了理论的正确性。

CLC谐振型感应电能传输系统的H_∞控制

CLC谐振型感应电能传输系统较传统的LC谐振型系统具有更大的谐振容量和更小的频率漂移,但由于系统的高阶及多周期点特性,对CLC型系统的控制更为困难。为实现CLC谐振型系统的输出鲁棒控制,将系统状态变量及非线性开关函数进行频域线性化,通过平衡点变换,得到平衡点附近的广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)扰动模型。建立了系统的H∞控制系统结构,提出GSSA模型误差扰动有界定理并给出了证明。给出了相应的H∞扰动控制律,并通过仿真及实验结果验证了该模型及控制方法的有效性。