磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制研究

采用频率为100~500 kHz的高频逆变器为无线电能传输(WPT)提供高频交流电源,并基于此研究了WPT的频率跟踪控制以解决频率失谐带来的不良影响。通过理论分析得出,当磁耦合谐振式WPT采用SS或SP拓扑时,可以直接跟踪发射端电流频率,而对于接收端电流,需先将其经过一定处理才可作为被跟踪的信号。经过仿真得出,即使起振频率偏离系统固有谐振频率,直接跟踪发射端频率后也能使电路的工作频率稳定在固有谐振频率,而直接跟踪接收端电流时,电路的工作频率偏离固有谐振频率较远。在理论分析和仿真研究的基础上,实验验证了直接跟踪发射端电流频率的WPT。     

Scaling Law of Coupling Coefficient and Coil Size in Wireless Power Transfer Design via Magnetic Coupling

Wireless Power Transfer (WPT), such as magnetic resonant coupling using a magnetic field, is being studied and discussed for a wide variety of applications. When the transmission distances are large, very large transmitters and receivers need to be considered. However, in the early stages of an investigation, it might be prohibitive to manufacture and evaluate coils of such a large size. To reduce costs and effort, a scaling law can be used to estimate the WPT efficiency of very large coils using the results of smaller coils. In this paper, a scaling law is proposed that relates the coil size to the coupling coefficient, assuming the ratio between the coil diameter and coil length remains constant. The coupling coefficient is one of the parameters that determine the maximum efficiency of magnetic field WPT. The proposed method was verified by an electromagnetic field simulator and experiment. The results of this study provide an easy method for estimating the WPT efficiency of very large coils.     

磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中传输效率最大值与功率最大值难以同步的问题,利用等效电路理论对无线电能传输系统进行建模分析,给出系统传输效率最佳频率和传输功率最佳频率的计算方法,提出最佳谐振频率和功效同步因数的概念,得出系统传输效率与功率最大值同步出现的条件。借助仿真软件分析系统传输效率和功率与负载的变化规律,搭建实验平台,通过对比实验数据和仿真结果,证明了理论分析的正确性,也为进一步优化系统功效同步性能,同时提高传输效率和功率提供了有益的参考。     

磁耦合无线电能传输系统异物检测技术综述

随着磁耦合无线电能传输(wirelesspowertransfer,WPT)系统的应用推广,异物检测技术的研究越来越受到关注。该文综述国内外磁耦合WPT系统异物检测技术的研究现状,首先总结各文献中有关异物和异物检测技术的概念和定义,介绍研究异物检测技术的主要团队,重点分析目前金属异物对磁耦合WPT系统的影响机理、影响规律和金属异物影响下磁耦合WPT系统的建模方法及异物检测方法方面所取得的主要研究成果,给出几种常用的异物检测方法的优缺点和适用范围,论述异物检测技术的未来研究方向。     

200W级磁耦合谐振式无线电能传输频率特性的研究

采用磁耦合谐振技术提供了一种新型无线电能传输方式,其安全、可靠、灵活的特点受到广泛关注。为进一步扩展无线电能传输的应用领域,设计较大功率的无线电能传输系统是十分必要的。基于串并结构谐振电路等效模型,通过电路理论推导出补偿电容、电压增益、效率等表达式,应用Matlab软件对系统的谐振频率进行了仿真分析,得出谐振频率偏移对系统性能影响规律。在此基础上设计了一套无线电能传输实验平台,传输距离为1~7 cm,该装置负载端获得功率可达200 W,最高传输效率为80%。     

磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析

传统的由发射–接收线圈谐振器组成的基于磁谐振耦合的无线功率传输系统只能短距离的传输能量,在发射端和接收端之间适当的位置插入中继线圈谐振器可以有效的提高传输距离。该文对插入单中继线圈的磁耦合谐振式无线功率接力传输系统进行了研究,得出临界耦合条件和最大功率传输条件。研究了发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合系数k13对系统的影响,并得到避免其不利影响的设计准则。数值仿真和实验表明,恰当的使用中继线圈不但能显著提高传输距离,并且因为系统的传输效率和负载功率对中继线圈的横向偏移和角度倾斜变化不敏感,因此还能提高设计的灵活性。     

Fundamental Research on Control Method for Power Conversion Circuit of Wireless In‐Wheel Motor Using Magnetic Resonance Coupling

The in‐wheel motor (IWM) is the most preferred driving mechanism of electric vehicles for its advantages of vehicle motion control, energy efficiency, and vehicle design flexibility. One of the technical problems of the IWM is the reliability of power and the signal wires. Wireless power transfer technology is the best solution to this problem. In this paper, a bidirectional wireless power transfer circuit using a primary inverter and a secondary converter is proposed. We propose a control method for both the inverter and the converter to stabilize the secondary dc‐link voltage. The proposed method is verified by simulation and experiment using simulated test equipment.     

Novel Transmitting Power Control Method without Signal Communication for Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling

Wireless power transfer (WPT) via magnetic resonance coupling has been widely studied for vehicle applications, particularly the stationary and dynamic charging of electric vehicles. Our research group previously proposed a wireless in‐wheel motor to improve the reliability and safety of in‐wheel motors. Transmit power control is necessary to achieve stable WPT. We proposed a control method that uses a feedforward controller on the primary side and a feedback controller on the secondary side. However, the control method may cause shortfalls in the transmission power owing to modeling error, coupling coefficient variation, and signal communication delay. In this paper, we propose a novel feedback control method for the primary side based on conversion ratio estimation. The effectiveness of the proposed method was verified by simulations and experiments on the load current control of a constant voltage load and load voltage control of a constant power load.     

Fundamental Evaluation of Power Supply and Rectifiers for Wireless Power Transfer Using Magnetic Resonant Coupling

This paper provides a fundamental analysis of a power supply and rectifiers for wireless power transfer using magnetic resonant coupling (MRC). MRC enables efficient wireless power transfer over middle‐range transfer distances. MRC for wireless power transfer should operate at a high frequency in the industry science medical band, such as 13.56 MHz, because the size of the transfer device decreases at higher transfer frequencies. Therefore, the output frequency of the power supply on the transmitting side should be 13.56 MHz. In addition, the rectifier on the receiving side is operated at a high frequency. This paper focuses on the reflected power in the power supply and rectifiers. Thus, the parametric design method is clarified for the power supply, including a low‐pass filter to match the output, the impedance of the power supply with the characteristic impedance of the transmission line. In addition, the effects on the rectifiers of silicon carbide and gallium nitride diodes are confirmed by performing an experiment and a loss analysis.     

磁耦合谐振三线圈无线电能传输的交叉耦合效应及电抗补偿

在具有中继线圈的磁谐振耦合无线电能传输系统中,非相邻线圈的交叉耦合有可能对系统的工作状态产生扰动,这通常导致系统传输功率和效率的降低。针对单中继线圈的无线电能传输系统,从其等效电路归一化模型入手,详细分析发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合对各回路电流和系统传输功率、效率的影响。给出了交叉耦合效应是否可忽略的判定条件,并提出了一种简便的在各回路中通过附加串联电抗以补偿三线圈(发射—中继—接收)无线电能传输系统交叉耦合效应的方法,通过数值仿真计算和实验证明了该方法的可行性。     

非铁磁性金属影响下的磁共振耦合电能传输系统建模与分析

磁共振耦合无线电能传输通道周围存在非铁磁性金属物体时,交变磁场与金属导体相互作用,传输性能受到影响。针对该问题,文中建立了金属物体影响下的非接触电能传输系统模型,推导出任意状态下的功率、效率计算式。理论分析结合实验手段研究金属物体对系统传输性能的影响规律,结果表明:非铁磁性金属物体影响下的共振系统包含无金属干扰系统所具有的共振频率分叉、功率与效率最佳工作频率点往往不重合等基本特性,另外,金属物体的存在还会引起原系统共振频率向上偏移,且传输通道周围的金属物体并不一定总是对系统传输性能产生负面影响,在收发端弱耦合条件下可能对功率或效率传输起到改善作用。分析指出造成系统传输性能变化的根本原因是电涡流参数引起驱动源激励下的系统总等效阻抗及等效负载阻抗的变化所致。理论分析结论与实验结果相吻合。     

非对称磁耦合谐振无线电能传输系统效率优化

针对线圈偏置对磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的影响问题,首先,应用电路理论建立了无线电能传输系统的等效电路模型,并通过求解电路方程得到了系统传输效率的表达式;其次,根据线圈互感与空间位置的关系分析了线圈偏置对线圈互感的直接影响以及对传输效率的间接影响;得出了系统线圈偏置分为无方向性偏置与有方向性偏置两种;最后,设计了一套效率优化流程以补偿因线圈偏置而降低的传输效率。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为移动式无线充电系统的设计与优化提供了参考和借鉴。     

三线圈磁谐振式无线输电系统传输效率的优化

磁谐振式无线电能传输系统的传输效率是评价整个系统的重要指标。针对单中继的三线圈磁谐振无线电能传输系统,运用等效电路理论和二端口网络理论推导系统在磁谐振状态下的传输效率公式,并对效率公式进行优化。当中继线圈与接收线圈之间的距离已固定时,在不改变系统各元件参数情况下,通过调节发射线圈与中继线圈间的距离,使其和中继线圈与接收线圈之间的距离满足一定关系,系统的传输效率可得到显著提高。最后,开发了一套三线圈输电系统,实验验证了理论的正确性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统频率特性分析

基于串串模型,建立了无线电能传输系统的互感模型,通过电路分析得到电压增益的频率特性曲线。通过建立Matlab仿真模型,研究电压增益的频率分裂现象,分析在过励磁、临界励磁、欠励磁3种状态下传输效率的变化情况,得到无线电能传输系统有效传输距离的定义,在该距离内,传输效率衰减不明显。设计制作了无线充电平台,测量3种励磁状态下的电压增益频率特性曲线,验证了互感模型及有效传输距离的正确性。     

磁谐振中距离无线电能传输及关键科学问题

阐述了磁谐振中距离无线电能传输的3种方式及可能的物理解释;对磁谐振中距离无线电能传输系统的主要参数,即传输距离、传输效率、传输功率和谐振频率进行分析,指出现阶段可能达到的极限参数。分析表明,传输距离主要受磁谐振耦合无线电能传输原理的限制,系统效率主要受功率放大器效率和传输效率的限制,传输功率的大小主要受电磁环境要求的限制,而谐振频率的选取受传输距离、传输功率、功率放大器和频率管制等的制约。最后对无线电能传输的电磁环境问题进行了分析。     

磁谐振无线电能传输系统线圈设计综述

线圈是无线输电系统中实现电磁耦合谐振的核心部件,具有高品质因数和均匀磁场的线圈是无线电能传输系统获得高传输效率和稳定输出的重要保证。基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。此工作对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。     

应用于无线电能传输系统的中继线圈工作性能

以无线传感器网络节点无线充电应用为背景,采用具有磁场放大作用的中继谐振线圈,解决远距离、小尺寸接收端在极弱耦合系数(10?4量级)条件下所带来的无线电能传输问题。通过分析中继线圈的在谐振频率时的工作特征以及电流放大的理论机理,设计具有磁场增强功能的中继线圈,并研究其频率特性,同时实现:1耦合谐振时中继线圈对源级电流放大四倍以上;2通过采用将中继线圈与源级线圈置于同一平面的结构优化系统空间尺寸;3直径5cm接收端线圈在距离1m时为功率LED进行无线供电。     

基于TensorFlow神经网络的MCR-WPT系统负载与互感识别方法

针对磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统负载与互感识别精度低、速度慢等问题,提出一种基于TensorFlow神经网络的双LCC型MCR-WPT系统负载与互感识别方法.该方法基于TensorFlow深度学习框架,采用神经网络模型,将MCR-WPT系统的负载与互感识别问题等效为非线性方程的求解问题,进而转化为深度...     

基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究

磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术,与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高、条件要求低等明显优势,目前国内对此技术的研究大都处于探索阶段。为了准确把握技术核心以及关键点,本文首先建立了无线电能传输模型,并在此基础上利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导,得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素。随后,通过大量实验验证了上述理论分析结论,并且对理论推导结论中未体现的因素进行了实验探索,所得结果对原有理论进行了有益补充,在实验室条件下实现了传输效率为60%、接收功率为2W的电能传输。另外,在对发射谐振频率和接收谐振频率与系统谐振频率的关系分析中,利用互感理论解释了接收端谐振频率与系统谐振频率相同的必要性。最后,总结了在磁耦合谐振式无线能量传输技术应用过程中提高传输效率和有效传输距离的若干方法。     

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望

近年来,无线电能传输技术由于其独特的自身优势而受到了越来越多的关注。文中重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的发展动态与应用现状,介绍了磁耦合谐振式无线电能传输技术发展现状以及尚待解决的问题。详细阐述了无线电能传输技术的机理模型、关键技术、电磁环境、技术标准及相关应用中的瓶颈问题等。最后,在深入探讨当前研究热点的基础上,对该技术的发展动态进行了总结与展望。