基于双LCL谐振补偿的电动汽车无线充电系统特性分析与实验验证

针对满足电动汽车车载无线充电要求的双LCL谐振补偿网络进行研究与分析。首先分析电动汽车无线充电的电磁耦合关系及4种基本谐振补偿网络特性;然后基于双LCL谐振补偿的工作特性,探讨分析在电动汽车无线充电发射端与接收端发生横向及纵向相对偏移时的工作特性;最后通过Ansoft,针对圆盘型电磁耦合结构进行三维有限元仿真,并搭建一个5.5 k W的双LCL谐振补偿实验系统,对在纵向距离200 mm(最大横向偏移120 mm)和无横向偏移(纵向距离150~250 mm)时的工作特性进行验证。该系统在纵向距离200 mm(无横向偏移)时,最大功率传输能力为5.5 k W,同时达到最大效率点95.37%。     

一种电场耦合式无线电能传输系统无源谐振元件电压优化方法

电场耦合式无线电能传输系统由于其耦合电容较小,工作频率偏高,在运行过程中无源谐振元件往往承受较大电压。特别是在系统最大功率点,较大的电压可能会击穿元件,导致系统失谐,甚至引起安全问题。针对这一问题,提出一种可优化系统无源谐振元件电压的方法。该方法基于CLLC-L拓扑结构,通过合理配置无源谐振元件参数,降低谐振元件所承受的最大电压。基于所提理论,设计传输距离为150mm、等效耦合电容仅为13pF的电场耦合式无线电能传输系统,在其传输为2.12kW功率时,直流到直流效率达89%。最优参数下无源谐振元件实验电压与计算电压基本吻合,且最大实验电压小于对比组最大实验电压。该实验结果表明,所提出的电压优化方法可有效限制无源谐振元件的最大电压,从而提高系统安全裕度。     

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。     

基于UCC3895的谐振式无线电能传输系统分析与设计

通过对谐振式无线电能传输系统原理结构的分析,针对无线电能传输系统中磁耦合结构固有的松耦合特性,导致磁耦合结构耦合系数小、漏感大、消耗大量的无功功率,提出了一种在传统谐振网络中加入阻抗匹配网络的更适合于实际工程应用的改进型谐振网络,并给出谐振网络参数的设计要点.最后搭建了基于UCC3895控制芯片的移相全桥无线电能传输系统的试验平台,对系统的提离特性、偏移特性以及负载特性等进行了测量与分析.结果表明,在一定的距离范围内该系统具有良好的电能传输效果.     

非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究

对基于非接触感应能量传输系统中的松耦合变压器进行了研究,对松耦合变压器的建模与电路分析进行了论述,着重对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究。通过ANSYS仿真,对比了两种松耦合变压器的耦合系数的大小。选取耦合系数较高的第二种绕线方式设计了1kW全桥谐振变换器的松耦合变压器,并进行了实验数据测定。最后,详细分析了实验结果与仿真存在差异的原因。     

非接触式励磁电源的谐振补偿分析

针对新能源汽车驱动电机励磁系统中电刷与集电环对整车运行带来安全隐患的问题,提出了一种非接触式同步电机转子励磁的方法,并采用了谐振补偿方法以提高非接触式励磁能量传输效率。研究了非接触式励磁系统的工作原理与系统结构,建立了松耦合变压器的互感模型并分析了松耦合变压器的特性,给出了非接触式励磁电源谐振补偿系统的设计原理,分析了非接触式能量传输系统的传输特性。仿真与实验结果表明:采用串联-串联谐振补偿方式可以对非接触式变压器中漏感所带来的效率损失进行有效的补偿,能够增加变压器副边电流与电压的幅值;当电源工作在完全谐振状态下时,通过谐振补偿可大幅提高非接触式同步电机励磁电源的传输效率。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统存在干扰因素下的频率特性研究

本文从互感模型出发,对磁谐振耦合式无线电能传输系统的拓扑结构进行分析,得出了系统的简化模型,进而推出了发射器与接收器存在耦合角度和水平偏移等外界扰动情况下,负载接收功率和系统传输功率与系统的传输距离的关系。为验证理论分析的正确性,制作了试验样机进行验证。最后,以系统最大传输效率为目标,利用实验样机,对存在扰动下的无线电能传输系统进行频率跟踪,得出了系统工作频率的变化范围Δf。其结果可为磁耦合谐振式无线电能传输系统频率鲁棒性的研究提供依据。     

基于松耦合变压器的小功率CPT系统

设计并实现了一种基于松耦合变压器小功率CPT(Contactless Power Transfer)系统。采用互感模型对松耦合变压器进行了分析,对其原边和副边进行了补偿。采用有芯PCB螺旋电感线圈来制作松耦合变压器的原边和副边绕组,给出了有芯电感的几何参数和物理参数。原边、副边之间通过高频方波传递能量。最后给出了整个系统的电路图。测试结果表明,当原边和副边距离在5mm以内时,电能传输效率较高,可为手机等小功率用电设备充电。     

无线电能传输中的高频阻抗匹配特性分析

磁谐振式无线电能传输技术是基于磁谐振耦合现象利用近区磁场进行非辐射性、中距离输电的新技术。阻抗匹配技术在无线电能传输中广泛使用,用以增加传输距离,提高传输效率,使负载获最大功率。常规变压器适于在低频下作阻抗匹配,高频时磁芯容易饱和发热,降低传输效率。使用传输线原理绕制的变压器通过线间电感和电容耦合传输能量,可用于高频传输,亦可在无线电能传输系统中使用。文章分析了无线电能传输阻抗匹配原理,分析了传输线原理绕制的变压器匹配特性,使用高频变压器进行了无线电能传输的比较实验。实验结果表明高频变压器可用于无线电能传输,匹配得当时,增加传输距离的同时,可保持传输效率和最大输出电压,是提高无线电能传输性能的一种可选方法。     

无线电能传输用S/CLC补偿拓扑分析

提出一种用于无线电能传输系统的S/CLC补偿拓扑。该补偿拓扑能够实现恒压输出、零输入相角以及零电压开关,最大输出功率也不受松耦合变压器参数的限制。从理论上分析S/CLC补偿拓扑的优点,并通过实验进行验证。考虑到松耦合变压器参数对无线电能传输系统的性能有很大影响,还仿真研究了圆形松耦合变压器的优化设计,根据优化结果制作了一个圆形松耦合变压器。该变压器的耦合系数和优化结果一致,证明了所提圆形松耦合变压器优化设计方法的正确性。     

非线性规划求解单位功率因数谐振结构参数方法

感应耦合电能传输系统接收端LCL谐振结构参数的约束条件较多。传统设计方法需要进行反复迭代,较为繁琐。针对该问题,提出了一种非线性规划求解临界导通模式单位功率因数LCL谐振结构参数的方法。将繁琐的谐振结构参数设计问题转变为一般的非线性规划问题。该方法可以使谐振结构参数在满足众多约束的前提下,充分地利用谐振结构各个元件,使各个元件工作在较为接近的负荷水平,均衡地将谐振结构电压、电流应力分配到各个元件。最后,对所提的方法进行了算例与实验验证,搭建了额定输出功率为2.1kW的样机,并通过实验验证了所提方法的可行性与正确性。     

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。     

基于跳频控制策略的串联-串联谐振无线电能传输系统的参数优化设计方法

无线电能传输是一种方便、安全的电能传输方式。以实现蓄电池快速无线充电的串联-串联(SS)型谐振无线电能传输系统为研究对象,设计蓄电池三段式充电曲线,提出一种与之相对应的分段跳频控制策略。根据蓄电池充电曲线特征、SS谐振网络的恒压恒流特性和分段跳频控制策略,提出一种适用于蓄电池全范围充电的谐振网络参数优化设计的方法,为无线电能传输系统参数的优化设计提供了理论依据。搭建SS谐振无线电能传输装置,验证了参数选择的合理性和控制策略的有效性。在一次、二次侧之间距离12.5cm下,该装置实现了蓄电池的全范围三段式充电,并且整机效率最优达到93.5%。     

用于提高无线充电抗偏移能力的补偿参数确定方法及控制策略

电动汽车无线充电过程中,磁耦合器原、副边线圈的偏移会导致无线充电系统(WPTS)功率的剧烈波动。为了提升系统输出功率的抗偏移能力,以三线圈方形线圈结构磁耦合器为例,研究了非谐振的电容补偿参数选择方法并提出了基于品质因数的控制策略,降低了工程应用中的控制难度。设计并研制了一台3 kW样机进行了实验验证,结果表明采用所提控制策略,在横向偏移距离小于250 mm和纵向偏移距离小于100 mm的情况下,WPTS输出功率均大于3 kW,输出功率的波动小于1 kW,效率仍高于90%。     

港口RTG无线供电技术研究

针对港口RTG（rubber tyre gantry）已有滑触线式供电系统,设计改造为无线电能传输系统。考虑负载所需输入特性,采用LCC-S&S谐振拓扑实现恒压输出。根据RTG工作特性,将动态供电问题简化为准静态供电问题。由于RTG存在停靠偏移的情况,选取DDQ（double-D-quadrature）线圈结构作为耦合机构;考虑RTG高度变化,线圈间距在8～12 cm范围内变化,通过磁耦合机构设计,使输出电压始终保持在工作范围内。最后,搭建了1 kW样机系统,考察横向抗偏移特性,线圈横向最大偏移为40%,效率保持在90%以上。实验结果表明设计方案可行有效。     

适用于分段式动态无线充电的T型抗偏移补偿拓扑

近十年无线充电和电动汽车技术发展迅速,但是电动汽车发展遇到动力电池瓶颈和充电难问题,因而动态无线充电方案被提出。针对动态无线充电过程中,传输功率容易随偏移距离变化而剧烈波动的问题,从平缓传输功率波动的角度,在保证高传输效率和软开关的前提下,提出适用于动态无线充电的一次侧T型补偿拓扑及其参数设计方法。所设计T型补偿拓扑具有在宽偏移范围内保持传输功率稳定的特性,降低了一次侧控制系统的调控负担,同时还具有空载限流保护功能。最后搭建了500W原理样机,在侧向偏移百分比小于40%范围内,传输功率基本保持不变,表明了该补偿拓扑和设计方法的有效性。     

一种抗宽范围耦合系数波动的三元件补偿型感应式能量传输系统

常规LCL型感应式能量传输系统具有电压增益独立于负载的特性,在耦合系数波动小而负载范围较宽的无线能量传输场合应用较广。然而其输出特性受耦合系数影响很大,不适用于动态能量传输场合。在LCL型补偿拓扑的基础上,通过改造其输出特性,提出一种适用于动态感应式能量传输场合的改进型拓扑,以适应大范围耦合系数的变化。从平滑输出电压增益的角度出发,定量分析电压增益和输出阻抗角与耦合系数和无源元件参数的关系。通过对LCL型谐振腔增加一阶自由度,构造了三元件补偿的LCC型拓扑,实现了耦合系数大范围波动情况下输出功率近似恒定。与常规拓扑相比,该补偿拓扑对耦合系数的敏感性大大降低。最后,设计一台原理样机,传输功率在耦合系数大范围波动下保持平稳,相比常规拓扑,使得输出特性关于耦合系数的敏感性大大降低。验证了设计方法的有效性。     

不平衡电网电压下双馈风力发电系统的比例–积分–谐振并网控制

提出双馈发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的比例–积分–谐振(proportional integral resonant,PIR)并网控制方法,以实现电网电压不平衡工况下 DFIG 风力发电系统的并网控制.并网控制器由同步旋转坐标系中的比例–积分控制器和谐振控制器组成,比例积分控制器控制定子 d-q轴电压的直流分量,谐振控制器控制定子 d-q 轴电压的交流分量,使其分别实现对电网 d-q 轴电压直流、交流分量的精确跟踪.该比例–积分–谐振并网控制策略具有无需采用正负序分离算法,无需设计负序控制器等优点.仿真结果表明,该并网控制策略在电网电压平衡和不平衡条件下,均可控制DFIG 定子电压实现对电网电压的精确跟踪.     

(20期拿下）谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计*

谐振耦合式无线能量传输方式可用于中距离传输能量,是一种新型的能量传输方式。文中针对谐振耦合式无线电能传输系统中谐振线圈对无线电能传输的影响问题,建立两线圈等效电路模型,详细分析了线圈谐振状态和互感对系统传输功率和效率的影响,提出了一种兼顾系统传输功率与效率的谐振器优化设计方法,并结合实例仿真,设计制作了多组参数的谐振线圈进行比较实验,结果证明,在谐振状态下两谐振线圈匝数乘积为定值时,系统的传输功率和效率基本保持不变,从而证明了所提方法的可行性。     

Design and optimization of hybrid resonant loops for efficient wireless power transfer

Frequency splitting, caused by magnetic overcoupling, is a great challenge in resonant wireless power transfer, which leads to decrease of transfer efficiency. In this paper, to avoid the frequency splitting, a new design of hybrid resonant loops with an inner coil positioned in the transmitter is proposed for efficient power transfer. It is shown to suppress dramatic variation of mutual inductance when the distance between transmitter and receiver decreases. Analytical expressions of the mutual inductance and the transfer efficiency for the proposed resonant wireless power transfer system are calculated. To obtain a relatively uniform mutual inductance with respect to the distance, the proposed resonant loops are optimized. Simulation and experiments are also performed to validate the effectiveness of the proposed resonant loops in eliminating the frequency splitting. The transfer efficiency remains higher than 80% when the transfer distance decreases below a critical value where frequency splitting occurs for conventional resonant loops. Furthermore, lateral and angular misalignments between the resonant loops are also considered and investigated. The results indicate that the proposed resonant loops are also applicable in suppressing the frequency splitting even in case of misalignments.