电动汽车无线充电系统电磁场计算方法

随着电动汽车的大量普及,电动汽车无线充电技术也得到更多的关注。首先,对基于磁耦合的IPT(感应电能传输)技术的工作原理进行了分析,推导出基于IPT的电动汽车无线充电系统电磁场计算方法。其次,利用电磁场的矢量叠加原理,推导得出多匝线圈产生的电磁场解析式,从而得出WPT(无线电能传输)系统初、次级侧线圈产生的合成电磁场解析表达式。最后,应用CPOSMOL仿真软件,并搭建WPT实验系统,验证了电磁场解析表达式的正确性。     

阵列式无线能量传输系统的准静态电磁特性

磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种实现非接触电能传输的新技术,由于其相对于松耦合感应技术具有高传输功率和远传输距离等优势,成为了目前电气工程领域的一大研究热点。针对电动汽车和轨道交通车辆等大功率对象动态无线充电的应用趋势,根据准静态下的麦克斯韦数学方程,利用有限元电磁仿真软件,建立了多发射线圈阵列式磁耦合谐振式无线电能传输系统的三维仿真模型,通过实验测试验证了仿真模型的可靠性。在此基础上,通过有限元分析的方法研究了准静态下不同系统结构时接收端负载电压的稳定性及系统的电磁场分布特征,为电动汽车和轨道交通车辆动态无线充电系统结构的设计提供一定的理论参考。     

基于双耦合线圈的无人机轻量化无线充电耦合机构设计

针对中大型无人机无线充电需求，设计了一种双耦合线圈无人机无线充电耦合机构，该耦合机构在满足无人机接收侧轻量化设计的同时，具有较高的传输能效与一定的抗偏移能力。双接收线圈安装在无人机双侧底部支架位置，双发射线圈安装在与无人机支架倾斜角度相同的梯形发射平台上，以减小无人机大范围偏移，同时采用顺向串联的形式，保证无线充电的均匀性。采用串联-串联S-S（series-series）补偿结构，运用有限元仿真，对比分析耦合线圈不同参数对传输效率的影响，以轻量化为原则对耦合线圈进行优化设计。通过搭建无人机无线充电实验系统进行验证，结果表明，该耦合机构可有效地对无人机电池以1.2 kW功率进行充电，传输效率为95.554%，无人机侧耦合机构质量为320 g，符合无人机耦合机构轻量化设计需求，且具有一定的抗偏移能力。     

互操作电动汽车无线充电系统设计方法

电动汽车无线充电的互操作性是指同一发射端可以匹配不同离地间隙、不同充电功率等级的电动汽车接收端进行安全高效的无线充电。国家标准对电动汽车无线充电的互操作性给出了解释和示范,但如何在不同间隙级别、不同功率等级和不同偏移位置下均实现最优的功率传输效率,是互操作设计的一个难题。针对双边LCC电动汽车无线充电系统,以电动汽车无线充电系统标准GB/T38755.1为参考,提出一个满足工程应用需求的互操作无线充电系统优化设计方法。在满足电感量要求下,优化发射线圈表面磁场辐射的均匀度,以效率为目标优化不同间隙与不同功率等级的接收线圈及其补偿参数。制作了一个满足互操作性的11 kW发射线圈与9个不同充电气隙和功率等级的接收线圈,对设计方法进行了实验验证。     

自动导引车无线充电系统中发射线圈优化设计

为解决无线充电系统中线圈间耦合系数小、充电效率低的问题,提出一种在不同传输距离下发射线圈和接收线圈半径匹配的优化设计方法。首先建立了该无线充电系统的等效电路,推导出传输效率与互感和线圈内阻的关系;其次对平面环形线圈进行等效建模,得到了两共轴平行圆线圈间的互感公式;然后在特定接收线圈下,利用线圈间互感公式和有限元仿真得到了平均半径比与传输距离的关系,并在自动导引车的充电距离下,优化设计了发射线圈的内外半径;最后对优化前后发射线圈进行了对比实验。实验结果表明,优化后发射线圈可以明显提升系统的传输效率,从而验证了所提设计方法的正确性。     

含金属异物的无线充电系统场域等效建模分析

无线充电系统中,电能传输遵循发射线圈和接收线圈之间的磁耦合关系。当发射线圈和接收线圈之间存在金属异物时,异物的涡流或聚磁效应将会影响无线充电系统的传输性能与运行稳定性,严重时还会危害充电安全。为了厘清不同材质金属异物对无线充电系统性能的影响机理,有效分析异物的影响规律,迫切需要一种精确的金属异物建模方法,提高金属异物的检测精度。为此,文中计及金属的材质、位置、等效面积等关键因素,提出一种金属异物场域等效建模方法,通过构造金属异物影响下的无线充电系统耦合方程,对比得到异物引入前后发射线圈电流和接收线圈电流间的相位差表达式。在此基础上,进一步提出了铁磁性金属与非铁磁性金属的等效线圈模型及其参数配置方法,可精确得到金属异物介入条件下的电流相位差值。最终通过仿真与实验验证了建模方法的准确性与有效性,为无线充电系统中引入金属异物的特性分析与在线检测提供了一种新思路。     

接收端的电磁超材料对无线电能传输系统的影响

电磁超材料对磁共振式无线电能传输系统有增强效率和增大距离的作用,但应用于电动汽车的无线充电、便携设备的无线充电、高压线路监测等等场景时,电磁超材料放置于共振线圈的正中间存在着不便。文中研究紧贴无线电能传输系统接收线圈一侧的电磁超材料产生的增益效果,从线圈品质因数和互感两个方面入手,用有限元电磁仿真实验与实物测量对其进行验证。实验发现,将平面螺旋结构的电磁超材料贴近接收线圈放置时,负载电阻的功率增大为原来的4. 9倍,和已有文献中放正中间的情况比稍低,但在节省空间的前提下仍对无线电能传输系统有显著增益效果。     

动态无线充电的软开关及控制策略研究

电动汽车动态无线充电技术,即在行驶路面间隔铺设一系列能量发射线圈,在电动汽车上安装能量接收线圈,对行驶中的汽车持续充电,从而增加电动汽车的续航里程。逆变器的软开关技术能够很大程度上减小系统损耗,对于动态无线充电系统而言,耦合系数的动态变化和次级后级DC/DC变换器均会对逆变器开关管的工作状态造成影响。分析了系统工作原理和逆变器软开关的实现条件。通过在次级后级DC/DC变换器采用双闭环控制策略,在提高动态无线充电系统输出功率和传输效率的基础上,保证初级逆变器工作于软开关状态。搭建了动态无线充电系统实物平台,验证了动态无线充电系统中的软开关及高输出功率和传输效率的特性。     

基于正交式磁结构及原边功率控制的无人机无线充电系统

该文提出一种基于正交磁耦合机构的无线充电系统,采用原边功率控制策略实现中大型多旋翼无人机静态无线充电.原边采用双极性发射线圈,接收端采用空心线圈且垂直放置于发射线圈中线位置,从而形成磁场正交耦合.进行有限元仿真,测试分析耦合机构的耦合能力及容错位性能,优化发射线圈结构进而压缩磁场的空间分布,减小对云台设备的电磁影响.采用串-串(SS)补偿网络,接收端整流后直接充电,获得逆变桥移相角与充电电流、电压的关系,采用原边功率闭环控制实现对无人机精确的恒流/恒压闭环充电.搭建实验样机,结果表明系统可有效传输500W充电功率,效率为90.86％,可实现10A恒流/50V恒压闭环充电控制;接收端重130g,可便捷安装于无人机.     

两线圈串联电动汽车动态无线充电系统研究

从经济和空间角度考虑,电动汽车EV（electric vehicle）同时装设匹配静态和动态无线充电方式的接收单元是不理想的。为此,参考EV静态无线充电标准,设计了两发射线圈同向串联EV动态无线充电系统,使其接收单元能同时满足动态和静态无线充电需求。首先,分析了收发线圈的水平偏移特性和互感电路模型,并根据分析结果确定了单发射线圈组切换以及两发射线圈串联的方式,根据两发射线圈串联的三维磁通图确定了两个发射子线圈的通电方向为同向通电;然后,对单发射线圈组切换系统以及两发射线圈串联系统进行了有限元仿真,验证了两个发射线圈串联的互补作用以及同向通电方式的优越性;最后,参考EV静态无线充电标准搭建了实验平台,并完成了静态和动态的无线充电实验。     

多线圈无线电能传输系统效率最大化研究

感应式无线电能传输系统主要依靠耦合线圈将能量从电源端传输到负载端。多线圈的耦合特性可以用来构建多输入多输出的无线能量传输网络,目前针对此类网络的稳态特性分析仍然不具有通用性。传输效率作为系统稳态特性之一,是多线圈系统的重要优化目标。由于线圈寄生电阻使得耦合器损耗占据整体系统损耗的大部分,因此,优化系统效率的关键在于最大化耦合线圈效率。首先,建立任意耦合线圈个数的无线充电系统的电路模型,依照输入输出稳态特性分析效率最大化的影响因素以及最优效率点下的功率分配和损耗;其次,仿真验证不同输入端和不同输出端时理论分析的准确性;最后,搭建实验平台验证多发射多接收无线充电系统效率最大化点的稳态特性。     

旋转物体上电子设备无线供电技术研究

为了给安装在旋转物体上的电子设备进行无线供电,本文以鼓风机设备为例,提出了一种感应耦合式无线电能传输系统,将接收线圈和传感器固定在鼓风机叶片上,随着叶片一起旋转,发射线圈安装在鼓风机静止部分。接收线圈和叶片的旋转会导致互感变化,从而影响传输能量的平稳性。针对这一问题,本文发射端采用LCC补偿,以实现发射线圈恒流特性。为了使接收侧在旋转的任何位置都能接收到足够的功率,本文采用了两个发射线圈和两个接收线圈的结构。分析了两个接收线圈的两种连接方式对系统传输功率和传输效率的影响。搭建了仿真和实验平台,对比研究了两接收线圈串联和两接收线圈并联两种方式。结果表明,在获得最大功率和提高传输效率方面,并联方式都优于串联方式。     

基于超材料的高效率多源无线充电系统的研究

对于多发射源无线充电系统来说,发射线圈与接收线圈间的错位会导致互感急剧下降,使得传输效率降低.为提升多源无线充电系统的效率,首先,分析多发射线圈间相对位置与传输功率的关系,找出取得最大功率输出的条件;然后,设计出一种新型宽边耦合正方形螺旋结构的电磁超材料,增强收/发线圈间消逝波强度,在不改变传输系统本身的情况下有效提升传输效率;最后,搭建双源磁谐振式无线电能传输系统实物平台进行验证.实验结果表明:相比于单源系统,双源系统传输效率提高约15％;当收/发端线圈夹角为40°时,双源系统传输效率达到最高,为41.4％;添加超材料可使系统传输效率有效提高约20％,添加三块超材料可提高约36％.     

基于BP神经网络的线圈定位技术研究

随着人类社会电动汽车普及化程度的提高,电动汽车无线充电作为一种更为方便快捷的充电方式也逐渐投入使用。电动汽车无线充电过程中发射线圈与接收线圈的对准与否直接关系着充电功率与充电效率,本文提出了一种基于BP神经网络的接收线圈定位技术,通过建立以探测线圈感应电压为输入层、接收线圈二维坐标为输出层的神经网络实现定位功能,并通过仿真和实验验证了所提出的定位方法。该技术有助于指引驾驶员或自动驾驶系统驾驶车辆对准发射线圈,对电动汽车无线充电技术的发展与推广应用具有积极意义。     

电动汽车移动式无线充电技术

正无线电能传输主要有电场耦合、磁场耦合及电磁辐射3种方式。电动汽车无线充电主要采用磁场耦合方式,即利用高频磁场传输能量。分静态充电和移动式充电2种方式。移动式充电主要通过在地面铺设多个连续的发射线圈来实现。2018年8月,国内首条百米级电动汽车移动式无线充电实验路段在张北正式建成投运。实验路段长181m,移动式无线充电功率为20 kW,转化效率达80%,磁场强度远低于国际标准27μT,汽车行驶速度可     

电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估

从线圈结构和双边LCC补偿拓扑两方面开展了无线电能传输系统的优化设计,以实现指定的输出功率和最高的传输效率。为了研究无线充电环境中电磁场对人体的影响,通过三维电磁场仿真软件构建了一个完整的电磁环境仿真系统,包含了无线充电系统、电动汽车和具有重要器官的人体模型。模拟了以下7个场景：成人站在电动汽车后面;成人坐在电动汽车的左前、右前、左后和右后方;成人躺在电动汽车后面;儿童躺在电动汽车后面（最坏情况）。仿真结果表明,对于22kW的高功率无线充电环境,躺姿势儿童的心肺和躺姿势成人的心脏超出了国际非电离辐射防护委员会规定的感应电场基本限值。由于车辆外壳的屏蔽和人体与利兹线的距离,坐在车内的场景对人们是安全的。     

基于ANSYS三维仿真的两种无线充电器充电效率的研究

无线充电技术是一种采用无线方式进行电能传输的技术。首先研究了无线充电器的基本工作原理,然后针对无线充电器充电过程中充电效率低下的问题,利用ANSYS有限元软件进行耦合仿真,分析比较了单线圈与三线圈无线充电器在不同侧移距离时的充电效率,分析结果表明单线圈充电效率更高,三线圈充电器充电效率更稳定,为多线圈充电器的设计提供了理论依据。     

用于货架电子设备的准无线电能传输技术

本文提出了一种可为金属货架上的微功耗电子设备以准无线方式供电或充电的技术。该技术包括发射和接收两部分,高频发射电源连接到货架层板以提供电能,接收电路使用集总元件,可以内置到电子设备中。通过分析电场耦合,建立了单接收及双接收系统的电路模型,并分析了功率效率传输特性。仿真及实验系统验证了所提技术的可行性。结果表明,接收设备可在货架平台内的任意位置获得稳定的电功率。接收设备数量增加时,系统的传输效率得以提高。六接收设备时,单个功率仍能在500 mW以上,足以驱动显示牌类的微功耗电子设备。     

用于IWPT系统的双层交叠线圈抗偏移特性研究

针对无线电能传输(WPT)线圈发生横向偏移导致效率降低的问题,提出了一种双层交叠线圈结构,该结构可以实现多负载充电,且具有较强的抗偏移性能.首先,建立双层交叠线圈系统电路模型,分析影响系统效率的因素;其次,通过COMSOL软件仿真建立了双层交叠线圈模型,研究了多组充电区域的效率和横向偏移的关系;最后,为验证理论和仿真的真实性,设计了试验装置,结果表明,接收线圈磁通量变化会影响线圈效率,当发生横向偏移时,所提双层交叠线圈结构能维持高且平稳的磁场强度,使系统有效地保持高效率能量传输.     

磁耦合谐振式无线电能传输电动汽车充电系统研究

为研究电动汽车无线充电系统,解决电动汽车有线充电时的不安全、不便利问题,采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,从改进传输线圈结构出发,在传输线圈外侧增加导磁体,将磁通尽可能束缚在两传输线圈之间,减小向外界的泄漏,缩短磁通在空气中的磁路长度,从而有效增强无线电能传输系统的耦合程度,大大增加传输功率,提高低频条件下的传输距离和效率。设计了具有频率自动跟踪控制的12 k W/70 k Hz高效磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统,并进行实验研究,得到一系列传输线圈距离和负载阻抗、传输功率及传输效率之间关系的实验数据。特别地,实验结果表明在传输距离0.3 m、输入功率12.6 k W时,谐振频率为72.6 k Hz,传输效率达到94.33%。