U型磁芯结构ICPT系统功率传输容量研究

感应耦合电能传输(ICPT)技术是近年来发展起来的一种新型电能传输模式。为了实现磁路耦合机构的最大能量传输,本文从磁路角度对常用的U型磁芯磁路机构的功率传输能力进行了分析,得出了系统传输功率能力与磁芯机构形状和大小、原边导轨位置、工作频率以及副边拾取线圈匝数等因素之间的关系,并给出了U型磁芯结构下的磁路耦合机构的优化设计。根据理论分析结果对ICPT系统磁路耦合机构进行实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性。     

感应耦合电能传输系统动态解谐传输功率控制

提出一种感应耦合电能传输(ICPT)系统的动态解谐传输功率控制方法.对相控电抗器进行动态切换,通过改变其导通延迟角来改变导通电流大小,使得ICPT系统的电能拾取侧谐振或解谐,在负载端获得稳定的输出电压,同时实现对传输功率的控制.导出了动态切换的相控电抗器的等效电感,分析了等效电感对输出电压及传输功率的控制作用.根据负载稳定时输出电压与导通延迟角之间的变化曲线获得了保持输出电压恒定的控制方法.相控可变电抗器实现了软开关动态切换,有效地降低了系统的功率损耗.利用该动态谐振/解谐控制方法,系统的最大功率传输性能得到了保证.计算机仿真结果验证了该方法的优良传输功率控制性能.     

基于正四面体的无线电能传输系统多自由度电能拾取机构

传统无线电能传输系统对拾取结构的方向性较为敏感,拾取机构角度变化将会较大地影响系统功率传输特性。针对无线电能传输系统三维空间内多自由度拾取问题,该文提出一种基于正四面体的电能拾取机构,给出拾取电感摆放位置及连接方式,完成拾取机构磁通分析,提出拾取机构在空间内旋转时不同绕线方式的互感计算方法,设计拾取线圈的最优绕线方案,通过Maxwell有限元仿真获得拾取线圈间的相互耦合关系。实验结果表明:当耦合机构以任意角度旋转时,系统多自由度运行的效率维持在60%,负载功率维持在30W。此种类型的拾取机构不仅能提升系统的多自由度拾取能力,还可以保持输出的稳定性,减小系统对输出控制环节的依赖,减小拾取装置体积。     

基于双拾取线圈的感应电能传输系统研究

传统的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统利用单个拾取线圈实现能量传输,受副边半导体器件的容量限制,单个拾取线圈无法满足轨道机车等大功率移动负载(兆瓦级)需求。该文通过建立基于双拾取线圈的IPT系统以提高IPT系统的传输功率。论文利用电磁耦合理论分析双拾取线圈间的互感影响规律,并详细对比分析了考虑拾取线圈间互感前后IPT系统的工作指标。分析表明,考虑线圈间互感时的设计参数,能使IPT系统工作在谐振状态,且显著提高重载时IPT系统的输出功率和工作效率。通过建立双拾取机构IPT实验系统并保持原边恒流15 A,验证所提出方案的可靠性以及有效性。实验结果表明,相对于不计及互感影响方案而言,加入附加电容后,重载时(1.8Ω直流负载)IPT系统的输出功率和效率分别提高了82%和6%。     

一种新型空间无线电能传输系统耦合机构设计

传统正对平面线圈在进行无线电能传输时其电能拾取效率会随耦合机构间相对偏移的角度增大而迅速降低,空间无线电能传输系统则可以很好地解决这个问题.虽然目前国内外空间无线电能传输系统的耦合机构解决了相对偏移的问题,但接收机构只能以特定的轨迹和绕行方式进行相对均匀的功率接收,并非真正意义上的高自由度.本文提出了一种新型的空间无线电能传输系统的耦合机构,该耦合机构由单电源供电,可以实现接收机构高自由度且均匀的功率拾取.提出低耦合路径理论用于分析发射机构,利用Ansys Maxwell进行磁场仿真验证了磁场的均匀度.通过提出低耦合区域理论选取最适合发射机构的接收机构.最后搭建实验平台对耦合机构能量传输的均匀度和自由度进行了验证,实验结果说明接收线圈在保证高自由度接收的前提下接收电压数据集标准差小于1,即系统可以进行高自由度且较为稳定的功率传输.     

自配置非对称磁路三相无线平面供电网

针对传统单相无线供电(WPS)系统对原边和副边线圈之间的横向位置偏差低容忍度限制,构建一种用电设备可大范围自由移动的新型三相无线平面供电网,可实现平面内自由随机分布的用电设备群高效并行供电;同时,为消除三相WPS系统在传统对称磁路机构条件下固有电压拾取"盲点",提出一种可有效地消除拾取"盲点"的非对称磁路机构。仿真与实验表明,含非对称磁路机构的新型三相无线平面供电网不仅可有效提高三相WPS系统的功率传输能力,还可实现自由随机分布的移动设备在网内任意位置有效的能量传输。     

单管无线电能传输系统主电路参数的优化设计

常见的单管逆变电路只能在开关管开通或关断期间实现能量传输。本文提出了一种单管感应耦合式电能传输系统,该系统不仅可以实现零电压开通和零电压关断,而且在两种开关状态下都能传递能量。为了使该设计方案能够高效、稳定地传输能量,给出一种基于电压传输特性的主电路参数设计方法。在对主电路进行动态分析的基础上,对其谐振网路进行了等效变换,得出系统的电压增益函数。在优化原副边谐振频率的过程中得出了开关管实现ZVS的条件和系统实现最大电压增益的参数配置。完成了系统全局最优设计。最后通过仿真和实验验证了设计的正确性。     

计及信号与电能同步传输影响的ICPT系统谐振参数优化方法

针对信号与电能同步传输的感应耦合电能传输(ICPT)系统中信号耦合线圈对电能传输效率影响的问题,基于LCLP型ICPT系统谐振拓扑结构,利用在原、副边增设耦合线圈对信号进行加载和拾取,实现了信号与电能的同步传输;通过分析原、副边电流的关系,利用耦合变压器、信号发射耦合线圈和信号接收耦合线圈的互感反射阻抗,建立了信号耦合线圈与电能传输效率之间相关联的非线性规划模型,分析了信号耦合线圈对传输效率的影响,给出了相对应的电能传输效率目标函数和约束条件,在此基础上利用自适应粒子群优化算法对谐振补偿参数进行优化,并进行了仿真验证。仿真结果表明相较于同类型信号传输方法,优化后的系统信号传输误码率有所降低,电能传输效率有所提高;波特图表明优化后的信号传输电路并未对电能传输造成较大影响,负载处谐波畸变率有所降低。     

补偿式感应电能传输模型建立及稳定性分析

交流感应电能传输系统根据法拉第电磁感应定律,通过空气介质实现了电能的无线传输,克服了以导线为媒介直接传输电能的缺陷,首先推导了一次侧谐振频率与二次侧负载电阻和一、二次侧感应耦合系数之间的关系模型,并对在回路无补偿、并联补偿情况下进行仿真,其次对一次侧电流和二次侧电压的幅频特性和相频特性进行了分析,确定影响系统传输效率的因素,验证了在一次侧补偿电路和二次侧补偿电路同时发生谐振时,系统传输效率最高。同时设计了交流感应电能传输系统传输变换器并应用Multisim 10软件对控制器进行了仿真,确定了这一方法的正确性。     

基波—谐波双通路并行感应式能量与信号同步传输技术

为解决现有感应耦合电能传输(ICPT)系统的能量与信号同步传输时存在的输出电压波动大以及系统稳定性差等问题,提出一种新型基波—谐波双通道并行感应式能量与信号同步传输技术,通过改变基波能量通路和谐波能量通路功率分配,在不影响系统谐振的前提下,实现了在较高系统效率下的能量与信号同步传输,同时还具备在信号传输过程中的系统输出电压与负载无关的稳定无波动特性,为该项技术的发展提供了新思路。最后,通过实验验证了理论正确性与技术可行性。     

感应电能传输系统中多拾取线圈互感补偿方法及输出功率平衡策略

多拾取线圈能够有效提高感应电能传输系统的输出功率,满足轨道车辆等大功率场合的需求。但由于制作工艺等因素的影响,各拾取线圈的自感存在着一定的差异,导致各拾取模块谐振频率不一致,从而引起输出电流不均衡并降低系统输出功率。首先分析了拾取线圈自感参数不一致带来的电流不均衡问题以及降低输出功率的原因;为消除自感参数差异导致的电流不均衡,提出了一种采用相邻拾取线圈间互感补偿拾取线圈自感差异的机理和方法,并给出补偿电容的设计方法,使各拾取模块的输出功率不受线圈间互感的影响。基于研制的感应电能传输工程样机的实验结果表明,该方法能够实现各拾取线圈输出电流的均衡,同时提高系统输出功率。     

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.     

CPT系统能量与信号混合传输技术

针对感应耦合电能传输(CPT)系统中的信号传输问题,提出一种基于能量通道的数字信号传输方法。该方法通过切换谐振逆变器开关管的软开关周期来对数字信号进行调幅调制,电能接收端在通过功率调节单元接收电能的同时,提取调制信号特征并进行信号复原,在不改变感应耦合电能传输系统主电路拓扑结构的情况下,实现了传输数字信号。介绍了信号传输原理,分析了功率与信号混合传输特性,以及和信号传输效率之间的关系,并进行了实验验证。     

采用三维偶极线圈的无线电能传输系统多自由度拾取机构

无线电能传输系统拾取机构相对于发射机构的方向性比较敏感,拾取机构的角度变化将会极大影响系统的能效特性。为实现无线电能的多自由度拾取,文中提出一种采用三维偶极线圈的无线电能系统多自由度拾取机构,对拾取机构多自由运动时的磁路进行了分析,引出拾取线圈输出组合方式的讨论;选取整流后串联模式搭建了三维偶极拾取线圈的等效电路模型,以拾取最大功率及输出平稳性为优化目标,对偶极线圈的匝数进行了优化。用COMSOL进行有限元分析,得出三维正交偶极线圈比三维正交环形线圈具有更高的功率密度的结论。实验结果表明:拾取机构任意旋转下,输出电压较为稳定且输出功率维持在10 W以上。     

LCC S型无线电能传输系统的特性分析*

为满足无线电能传输系统恒压供电的需求,提出了一种LCC-S型无线电能传输系统.利用互感耦合理论建立了LCC-S型无线电能传输系统数学模型,推导了系统的输入阻抗角、传输效率、输出功率和输出电压的表达式.对输入阻抗角的分析表明除了预设的谐振频率外还有其他谐振频率,分析了频率对该补偿网络输出功率和传输效率的影响.最后,通过仿真验证LCC-S型无线电能传输系统的恒压输出特性,结果表明LCC-S型无线电能传输系统的输出电压不随负载变化而改变.     

SS型无线能量传输系统参数优化

针对无接触电能传输系统的性能优化问题,以串串(SS)型补偿拓扑为例分析了系统谐振频率和初、次级互感值对无接触电能传输系统性能的影响,并计算出满足最大传输功率、最大传输效率的相应参数取值;针对采用SS型补偿拓扑的感应耦合电能传输(ICPT)系统存在电容电压应力较大问题,引入电压应力系数,综合系统传输功率、传输效率,提出一种新型系统性能优化指标。系统在满足输出功率基础上,该指标还考虑到传输效率、电容电压应力、可靠性等。以此对ICPT系统的参数进行优化设计,在满足输出功率的基础上,相比最大能效积优化具有更高的传输效率及较小的初级电流应力。最后,通过仿真和实验证实了此处所提方法对优化ICPT性能的有效性。     

基于互感差异的双拾取无线电能传输系统功率分配控制策略

针对双拾取无线电能传输系统的系统功率分配问题,利用阻抗分析方法分析了LCL-S型拓扑结构下系统功率以及系统效率的影响因素,并提出一种在满足负载功率需求条件下的系统效率最优的功率分配策略。该控制策略根据系统负载功率和耦合机构互感优化拾取端的功率分配,实现功率传输和效率的优化控制。最后,通过仿真与实验验证了理论分析的正确性。     

感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法

大功率感应电能传输系统通常采用多并联拾取模块结构。然而,多并联拾取模块参数不一致,会导致各个拾取模块的电流和输出功率不均衡,从而降低系统效率,严重时会因模块过流而造成系统故障。为解决该问题,文中提出一种基于并联拾取模块补偿电容器的多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法。首先,介绍了传统感应电能传输系统与所提出的感应电能传输系统拓扑的特性。然后,分别分析了互感、拾取线圈自感及内阻对电流分布和系统效率的影响。最后,通过4个并联拾取模块的感应电能传输系统实验平台验证了所提方法的有效性。实验结果表明,采用所提方法时多并联拾取模块的电流和输出功率基本一致,并且相比传统感应电能传输系统,系统效率最高提升了2.21%。     

感应电能传输系统输出电压调压电路研究

感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)系统的输出电压受原边电流、线圈间距、谐振参数、负载等影响。为了让系统输出稳定的电压,提出一种应用于IPT系统副边的调压电路,利用IPT系统不同副边拓扑输出特性的不同,结合并联型与串联型拓扑的特点,在交流侧实现输出电压的调节。首先通过基波近似法求得系统等效阻抗与占空比的表达式,在此基础上求得输出电压与占空比之间的关系。然后对电路进行了简化,分析了无需使用双向开关的简化电路的输出特点。最后通过仿真验证了电路的有效性。     

基于能量传输通道的IPT系统非法负载检测技术

针对感应电能传输系统中非法负载介入的问题,本文提出了一种基于能量传输通道的非法负载检测方法。通过对电流型感应电能传输系统的特性分析发现,当负载变化时系统的零电压开关频率和谐振电流近似为恒定,基于系统原边谐振网络的能量平衡方程,得到了原边输入电流和负载成反比的关系。因此通过对负载以给定的频率进行通断调制和原边解调判断其负载的合法性,最后通过仿真验证了该方法的可行性。