具有可变增益恒压特性的双线圈无线电能传输系统补偿网络设计与分析

为了实现具有恒压特性的双线圈无线电能传输(WPT)系统中补偿网络的优化设计,该文在变压器T网络模型基础上定义等效耦合系数k_r与等效变比n₁,为双线圈WPT系统的高阶补偿网络设计与分析提供一种新方法。首先建立变压器T网络等效模型,给出具有恒压特性的串联-串联(S-S)型双线圈WPT系统元件参数表达式。其次结合等效耦合系数与等效变比,提出具有可变增益恒压特性的串联/并联-串联(SP-S)型与串联/并联-串联/并联(SP-PS)型双线圈WPT系统的补偿网络参数确定的新方法。在此基础上,考虑寄生电阻对系统传输特性的直接影响,以WPT系统的电压增益稳定性与传输效率为指标,得出不同等效参数下传输特性表达式,推导出在线圈偏移情况下最佳等效参数k_r与n₁的表达式,为WPT系统的补偿网络的优化设计提供理论依据。最终通过实物实验验证所提系统的恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。     

感应耦合无线电能传输系统的能量法模型及特性分析

感应耦合无线电能传输(ICPT)基于电磁感应原理,目前采用电路模型的分析方法,由于该方法无法深入了解ICPT系统能量传输的过程,所以提出了一种ICPT系统的能量法建模方法,建立了串联—串联(SS)、串联—并联(SP)、并联—串联(PS)和并联—并联(PP)型4种ICPT系统的能量法模型,分析了能量法模型与耦合模型的相互关系,研究了它们的等效性及数学意义上的等效条件,并通过MATLAB仿真研究,证明了理论分析的正确性。此外,目前ICPT系统与磁耦合谐振式无线电能传输(MCRWPT)系统原理相混淆,因而基于能量法模型分析了ICPT系统与MCRWPT系统在原理上的区别,得出只有在谐振、弱耦合、高品质因数的物理条件下,SS型ICPT系统才与MCRWPT系统等效,由此阐明了ICPT系统与MCRWPT系统原理上的差异性,为进一步精确设计和优化ICPT系统与MCRWPT系统设计提供了模型基础。     

结合变压器T网络模型的具有可变恒压增益特性的补偿网络参数确定新方法

该文根据电路理论分析谐振式无线电能传输磁耦合系统的耦合电感模型和变压器T网络等效模型,得出磁耦合系统可以以不同等效变比表达的机理。提出对给定的磁耦合系统,通过补偿参数设计可使WPT系统实现任意恒压增益的新思路。基于变压器T网络四参数模型中参数(包括等效原边漏感Lpk,等效副边漏感Lsk,等效激磁电感Lm和等效变比n)的多解性,建立原边等效漏感、副边等效漏感及等效激磁电感与等效变比n的函数关系。通过对不同变比n下对应漏感的谐振补偿设计补偿参数,可使WPT系统获得不同的电压增益。该设计思路物理概念清晰,模型简单明了,有助于有效拓宽输出电压的变化范围。在输入、输出及开关频率不变的情况下,可实现磁耦合系统线圈匝数及尺寸的减小,有利于磁耦合系统小型化设计。实验结果验证了理论分析的正确性和可行性。     

基于S/SP补偿的整流性负载等效阻抗精确计算方法及逆变器开关损耗优化

基波等效法是无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术的主要研究方法,该方法将整流性负载的基波阻抗等效为某一纯电阻,为系统的建模和分析提供基础。但该方法忽略整流性负载谐波阻抗的影响,使WPT系统的实际响应与理论分析结果存在较大的误差,从而影响系统的模型精度,限制WPT系统的进一步优化设计。该文以基于串/串并(series/series-parallel,S/SP)补偿网络的WPT系统为研究对象,分析利用基波等效法进行建模产生误差的原因,并提出一种基于迭代法的整流性负载基波以及各次谐波等效阻抗的精确计算方法。在此基础上,建立WPT系统的精确电路响应模型,所提模型可以有效表征发射线圈电流的畸变特性,并根据系统响应与补偿网络参数的关系获得系统逆变器开关损耗的优化设计方法。最后,搭建一台3kW的WPT系统样机,实验结果验证理论分析的正确性和可行性。     

新型S/SP补偿的非接触谐振变换器分析与控制

非接触谐振变换器的补偿方式直接影响到系统的增益特性和控制特性,是非接触能量传输技术的研究重点之一。考虑到非接触应用场合中的变参数特性,论文提出了一种可适应负载及变压器参数变化的新型的串/串并(series/series parallel,S/SP)补偿拓扑。该补偿拓扑具有增益交点处输入相角为零,且增益交点值固定不随变压器耦合系数而改变的优点。论文对该新型补偿拓扑进行了特性分析;并针对其增益交点处输入相角为零以及增益交点处增益曲线相对平坦的优点,提出锁相环(phase lock loop,PLL)控制和恒频控制2种控制策略。采用所提出的补偿方式,设计了一台PLL控制60 W的谐振变换器和一台1.5 kW恒频控制的原理样机。实验结果与理论分析一致,验证了所提出的新型补偿方式的优点。1.5 kW的样机在10 cm气隙满载条件下效率达到95.2%。     

基于S/SP补偿拓扑的强抗偏移感应式无线电能传输系统EI北大核心CSCD

针对感应式电能传输(inductive power transfer,IPT)系统偏移造成输出电压不稳定和效率低下的问题,提出一种强抗偏移的S/SP补偿IPT系统,该系统在变耦合变自感和变耦合不变自感两种情况下均能保证较小的输出电压波动和较高的传输效率。首先,基于Maxwell有限元仿真,分析罐型磁心松耦合变压器的磁通分布和磁场分布特性,总结不同方向偏移的参数变化规律。然后,提出一种提高系统抗偏移能力的S/SP补偿参数设计方法,得到相应的磁耦合机构设计准则,并结合磁仿真数据,通过数值计算方式求得系统输出波动和输入阻抗角的变化规律。最后,通过实验验证文中采用罐型磁心和新型S/SP补偿拓扑实现多方向偏移下高效率、低波动无线电能传输的可行性。在额定负载下,系统沿纵向和水平方向偏移的输出电压波动分别为2.7%和3.1%,传输效率维持在90.8%~94.3%。     

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。     

补偿参数对并串型单管谐振ICPT系统影响

以并串型单管谐振感应耦合电能传输(ICPT)系统为研究对象,为了能够在磁耦合机构不变的情况下通过改变补偿参数来满足系统输出.此研究首先基于互感等效模型对系统进行建模分析,得到系统开关管两端电压不超过开关管耐压值和实现零电压开通需要满足的约束条件,然后在该约束条件下,进一步分析补偿参数对输出功率和电压增益的影响,最后通过实验验证了理论分析的正确性.     

远距离小功率无线电能传输系统性能优化研究

针对远距离小接收端情况的磁耦合共振无线电能传输系统性能参数--传输功率和传输效率较低的问题,本文采用三线圈结构,利用等效电路理论研究提升传输功率和传输效率的方法。在分析传输功率、传输效率与传输距离、负载阻值以及负载串联或者并联接入方式之间关系的基础上,得到功率和效率表达式。通过Pspice仿真得知:三线圈结构能够有效提高传输功率和传输效率;不同阻值负载配合不同接入方式有助于保证系统工作性能。最后,利用所设计的远距离小功率无线电能传输系统,通过实验验证了理论分析的正确性。     

三线圈无线电能传输系统恒压输出研究

针对自动引导车(AGV)无线电能传输(WPT)系统中磁耦合机构偏移影响输出电压稳定的问题,在输出并联型LCC/Multi-S的基础上提出了一种新型三线圈结构的WPT系统。该系统采用一种新型类中国结(CK)线圈结构和DDQ线圈作为磁耦合机构,通过合理参数配置,不仅实现了与负载无关的恒压(CV)输出,并且实现了X方向、Y方向以及XY方向同时偏移时的CV输出。利用COMSOL有限元仿真工具对该磁耦合机构的互感特性进行了仿真分析,从理论上证明了系统在线圈偏移的工况下能够实现CV输出;最后,搭建了试验平台验证了理论分析的正确性和可行性。     

电动汽车无线充电混合补偿拓扑电路分析

无线电能传输补偿方式直接影响输出电流、电压的增益特性,提出一种混合补偿拓扑电路,解决负载动态变化时输出电流、电压不稳定的问题,可应用于电动汽车恒流恒压无线充电电路。对拓扑电路原副边线圈建立等效松耦合变压器T模型,分析得出等效负载动态变化时可以实现恒流恒压输出的特性。构建仿真模型和试验台架,仿真验证电路分析的正确性。实验验证了在串/并补偿拓扑下副边稳流输出且原边逆变电流滞后电压,在串/串并补偿拓扑下副边稳压输出且原边逆变电流与电压同相。     

基于线圈定位与电容阵列的感应式无线电能传输系统调谐控制

在实际应用中,感应式无线电能传输系统通常存在耦合线圈错位的复杂工况,影响系统的传输功率和效率。基于线圈定位与电容阵列提出一种适于S/SP补偿网络的调谐控制策略,在错位失谐工况下,主动利用原、副边线圈的位置信息,优化系统特性。为了量化系统的输出电压波动,建立了S/SP补偿网络在全工况下电压增益曲线的计算模型。进而为确保错位工况下系统的恒压输出特性,在给定的耦合系数变化范围和输出电压波动指标内,给出了电容阵列切换级数和容值调节步长的最优设计,并与传统定电容补偿进行对比。最后,通过一台800 W输出的原理样机对所提策略的有效性进行验证。验证结果表明,采用所提调谐控制策略,可以显著提高系统的输出功率与效率,并大幅降低其输出电压波动。     

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%。     

基于漏感补偿的可变恒流输出补偿网络参数确定方法及其特性分析

基于变压器T网络模型中等效参数的多解性和漏感补偿原理,提出对给定的磁耦合系统通过补偿参数设计使WPT系统实现可变恒流输出的新思路。利用电路理论分析不同等效电压比n下使WPT系统获得不同的转移导纳的机理和参数确定方法。同时对考虑磁耦合系统线圈电阻影响的补偿参数确定方法及其频率偏移特性进行了理论建模及分析,指出当等效电压比n减小时,其参数敏感度均会降低,有助于提高WPT系统的负载调整率。最后构建了WPT的实验平台,实验结果证明了理论分析的正确性。     

恒压输出多负载无线电能传输系统分析与设计

为解决谐振式多负载无线电能传输（wireless power transfer,WPT）系统输出的负载敏感性问题,首先基于电路理论,研究恒压输出单负载WPT系统二端口网络在输出特性与负载无关时的电路参数关系,剖析了阻抗匹配网络的工作原理,由此构造出一种级联式负载无关性多负载WPT系统,并对该系统的传输性能作进一步分析;然后应用有限元分析软件确定DD线圈和屏蔽磁芯的最优尺寸;最终搭建一台恒压输出四负载WPT系统实验样机,验证了理论的正确性和系统的可行性。所提系统不含补偿电感、无磁饱和现象,阻抗匹配网络体积小、性价比高。     

基于DC/DC电路的无线充电系统功率稳定控制方法

在无线电能传输系统中,负载的接收功率对发射线圈与接收线圈之间的互感与负载阻值的变化比较敏感,当接收线圈与发射线圈之间出现偏移或负载等效阻抗变化时,需要通过有效的控制方法较快地保持负载接收功率基本稳定。文中在分析次级侧包含DC/DC电路的无线电能传输系统结构的基础上,给出了互感与负载电压、负载电流之间的关系,并推导出了DC/DC电路的占空比与负载接收功率之间的关系;然后提出通过检测负载电压、电流,调节DC/DC电路的输出功率稳定控制策略;最后,通过Matlab/Simulink仿真以及样机实验,验证了文中理论分析与控制策略的有效性和正确性。     

串/串补偿型无线电能传输系统的建模分析

为对串/串(S/S)补偿型无线电能传输(WPT)系统的输出特性、输入阻抗和系统效率进行分析,首先基于变压器T型等效电路,对系统进行建模,然后以补偿电容值为变量,分别分析其在电压源激励和电流源激励下的情况,经过分析主要得出以下结论:输出特性方面,电容补偿自感时,激励为电压源输出为电流源,激励为电流源输出为电压源,而补偿漏感时,激励为电压源输出为电压源,激励为电流源输出不具有电压源或电流源特性;输入阻抗方面,电容补偿自感时为纯阻性,补偿漏感时偏感性;系统效率方面,电容补偿自感时系统效率最优,任何补偿情况下系统均存在一个相应的效率最优负载。最后,通过实验验证了上述结论的正确性。     

基于可调增益恒流源补偿网络的磁场耦合无线电能传输LED驱动电路

对于磁场耦合无线电能传输(WPT)系统,由于松耦合变压器漏感较大,补偿技术是实现其能量高效传输的关键。在半导体(LED)照明应用中,WPT LED驱动电路应直接输出LED所需的驱动电流,还应避免无功功率环流,减小器件应力,实现功率器件软开关。针对现有补偿网络的输出电流增益依赖变压器参数,而松耦合变压器存在设计受限的缺点,本文采用二端口网络理论,提出一族恒流源补偿网络,通过调节补偿参数灵活调节输出电流增益,增加变压器设计自由度。最后采用同一电路结构和变压器,分别实现了0.5A、1A和1.5A输出的WPT LED驱动电路,实验结果验证了理论分析的正确性。此外,还对所提出的可调增益补偿网络的特性进行了详细分析。     

基于频率切换的S/SP拓扑恒流恒压输出WPT系统研究

近年来,无线电能传输技术因其稳定、安全、电气隔离等优势受到研究者广泛关注。在实际应用中,确保无线电能传输系统在零相位角的条件下实现稳定的先恒流后恒压充电输出对延长电池寿命和提高系统的功率传输效率至关重要,因此,提出了一种基于频率切换的S/SP拓扑补偿的具备恒流和恒压充电功能的WPT系统。通过理论分析,该系统可以在2个固定的零相位角频率点下实现稳定的恒流和恒压充电输出特性,且无需重构电路补偿结构。此外,所提系统的整体补偿元件较少,降低了系统的设计复杂度和开发成本。为验证所提系统的正确性,搭建了一台4.2 A/56 V充电输出的实验样机。实验结果与所提系统的理论分析吻合良好。