基于DDQ/DD耦合机构的强抗偏移电动汽车用无线充电系统

电动汽车无线充电系统在耦合机构发生偏移后,存在输出电压波动大和效率降低的问题。为此,该文提出基于DDQ/DD耦合机构(原边DDQ、副边DD耦合机构)和双路LCC/S补偿拓扑(原边DD和Q线圈均采用LCC补偿,副边DD线圈采用S补偿)的强抗偏移无线充电系统。为减小补偿元件应力,提高系统抗偏移性能,提出基于电压波动率最小原则的DDQ/DD耦合机构和补偿参数联合优化设计方法。为验证理论分析,搭建输出功率为1kW的实验样机,所用耦合机构原、副边外尺寸分别为550×550mm~2、350×350mm~2,横向偏移150mm过程中,系统输出电压波动率低至7.43%。     

基于“88Q”线圈的三维抗偏移WPT系统

针对谐振式无线电能传输(WPT)系统在传输距离和负载变化时引起输出电压不稳定的问题,提出一种“88Q”线圈耦合装置,结合LCC/S与S/LCC型负载无关恒压谐振拓扑可实现平面线圈的三维抗偏移恒压输出。给出了“88Q”线圈的空间位置和特征参数,分析线圈激发磁场的分布特性、线圈水平偏移和改变传输距离情况下线圈互感变化趋势。最后,搭建系统实验平台。实验结果表明,系统负载变化或耦合装置发生偏移时,均可实现恒压输出。     

基于遗传算法的双边LCC拓扑IPT系统的抗偏移性能研究

针对AGV无线电能传输过程中存在的位置偏移情况,提出一种基于双边LCC拓扑的新型磁耦合结构,并基于遗传算法进行了优化设计以进一步提升IPT系统在水平方向的抗偏移性能。首先,详细推导了双边LCC拓扑的补偿网络参数和各支路的电流表达式;其次,介绍了在双极性平面绕组4D线圈的基础上增加一个正交Q线圈的新型复合磁路机构,以提高系统的抗偏移性能和传输性能;然后以SM作为优化目标,采用遗传算法对4D线圈各物理参数进行迭代优化,进一步提升系统的性能;最后,搭建实验样机对该新型磁耦合结构进行了验证,实验结果表明：正对时新型磁耦合结构传输功率为300 W,传输效率为87.12%;接收线圈在水平向偏移百分比δ<20%的范围内输出功率最大波动率小于48%,并保持传输效率始终高于80%,满足实际的需求。     

一种共享磁通多耦合模式的无线电能传输系统抗偏移方法

针对无线电能传输系统在发射侧和接收侧偏移时输出功率和传输效率降低的问题,该文从共享磁通的角度提出了基于LCC拓扑的反极性同心式补偿电感集成方法,并提出了两种集成结构。建立了基于多耦合工作模式和线圈品质因数的反极性同心式无线电能传输系统输出功率和传输效率的数学模型,从数学模型上验证了集成式结构的抗偏移能力,仿真结果显示集成式结构在正对和偏移情况下,其磁通密度均优于非集成式结构。搭建了补偿电感集成式结构的实验样机,实验结果表明,补偿电感集成式结构在一定的偏移范围内能保持稳定的传输效率和输出功率,在相同输入电压和传输距离下比非集成式结构具有更高的传输效率和更大的传输功率。     

基于双层正交DD线圈抗偏移偏转的无线电能传输系统

针对磁场耦合式无线电能传输（WPT）系统的线圈偏移和偏转所导致的耦合系数减小及传输能效性下降的问题,面向电动汽车无线充电应用场合,该文提出一种基于双层正交DD(DQDD)线圈的高抗偏移偏转WPT系统,DQDD线圈内部两对DD线圈易于解耦,而且两者激发的合成磁场呈周期性旋转分布,此特征使得DQDD线圈兼具抗偏移和抗偏转性能。给出了DQDD线圈的空间位置和导磁机构特征参数与耦合系数之间的作用规律,分析水平偏移、垂向偏移和垂向偏转三种情况下线圈互感的变化规律;构建基于双路逆变器-双路整流器的LCC-S谐振电路结构,推导同时具有发射线圈激励电流恒定并且系统输出电压不受负载影响的谐振元件参数配置条件,进而给出系统整体的传输效率。为了验证所提出的DQDD耦合机构抗偏移偏转性能和系统传输特性,搭建130mm间距的500W样机装置,在水平横向和纵向偏移±150mm,垂向偏转0～90°范围内,样机的耦合系数保持率均不低于40%,系统的传输效率均不低于80%。     

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%。     

基于双边LCC拓扑结构的无线充电系统集成线圈设计研究

双边LCC拓扑结构为电动汽车无线充电提供了一种高效的补偿方法,然而两个补偿线圈占据了很大的体积。为了解决电动汽车无线充电系统体积增大问题以及提高系统传输效率,文中提出了一种新型集成线圈的方法,将双极性补偿线圈集成到单极性主线圈中,利用3D有限元分析工具ANSYS Maxwell对新型电磁耦合机构进行优化,通过优化补偿线圈的长宽比来消除系统中的多余耦合系数,从而提高系统的传输效率。通过实验结果表明,采用该集成线圈方法的无线充电系统受两侧线圈的水平或垂直方向偏移的影响较小,此时系统传输效率较高。     

基于双极性耦合磁场调控的高抗偏移偏转无线电能传输系统

针对电动汽车进行静态无线充电时，发收机构相对偏移偏转会导致耦合系数和传输能效性急剧下降的问题，该文提出一种基于双极性耦合磁场调控的高抗偏移偏转无线电能传输（WPT）系统，该系统发射机构采用双层正交DD(DQDD)线圈，接收机构采用交叠式DD(OLDD)线圈。首先，给出空间位置和导磁机构特征参数与耦合系数之间的作用规律，并分析了发射机构激发磁场的分布特性；其次，构建基于双路逆变器-单路整流器的LCC-S补偿网络拓扑，并推导具有发射激励电流恒定特性以及系统输出电压不受负载影响的谐振参数配置条件；然后，给出一种将最大耦合系数作为期望目标的磁场调控策略；最后，通过实验样机验证了所构建耦合机构的抗偏移偏转性能。实验结果表明：在水平面±70%的偏移范围内，输出功率维持在1.8 kW左右，系统效率不低于88%。     

二维平面具有抗偏移恒功率输出特性的IPT系统研究

针对IPT系统的耦合机构偏移会造成耦合系数变化,影响系统输出功率的平稳性,提出一种原边失谐 副边谐振的串串补偿拓扑与“方+田”线圈结构结合的设计方法以提升系统抗偏移恒功率输出能力。为验证所提方法的有效性,搭建1.8 kW的原理样机进行实验,结果表明IPT系统沿X轴方向偏移±220 mm、沿Y轴方向偏移±220 mm（占最大线圈尺寸55%）,输出功率波动程度在5%以内,系统效率始终高于90.0%,最高值达92.4%。     

直流高压开关柜用无线电能传输系统优化研究

直流高压开关柜在线温升监测系统不能采用电流互感器从高压直流输电线路上取电为自身供电.首次提出将无线电能传输技术用于直流高压开关柜在线温升监测系统,利用无线电能传输系统原、副边电气隔离的特性,极大简化了绝缘系统设计难度.论述了四种经典耦合机构的优缺点,阐明了其在本应用中的适用性,对比分析了利兹线线圈和印制电路板线圈的交流电阻,推导了S/S和LCC/S补偿拓扑原边线圈电流的表达式,分析了采用这两种补偿拓扑的无线电能传输系统在低耦合系数时的损耗.根据理论分析结果,确立了"平面方形耦合机构+利兹线线圈+LCC/S补偿拓扑"的方案,搭建样机验证了理论分析的正确性.     

带有大中继线圈的无线充电磁耦合器抗偏移特性研究

感应式电能传输技术在电动汽车实际应用中不可避免地出现原副边线圈相对位置错位,这会导致系统效率下降、线圈过流等一系列问题。针对这些问题,提出一种带大中继线圈的三线圈磁耦合器结构用于提升系统抗偏移能力。结合解析法和有限元法,分析了影响系统效率的关键因素,研究了不同补偿参数下三线圈磁耦合器传输性能以及不同偏移程度下两线圈和三线圈的互感和损耗的变化规律,并验证了含大中继线圈的三线圈磁耦合器在提升抗偏移能力方面的独特优势。在此基础上,提出基于两线圈和三线圈切换的具有强抗偏移能力的磁耦合器优化设计方法。设计并研制了线圈尺寸为400 mm×400 mm的磁耦合器样机,实验结果表明在偏移尺寸达到线圈尺寸50%、输出功率为3 kW的情况下,磁耦合器效率可达95 %,相比传统两线圈磁耦合器效率提升5 %。     

利用混合拓扑实现强抗偏移性能的紧凑型电动汽车无线充电系统

电动汽车无线充电由于具有自动化、安全性和便利性等优势,得到广泛的研究。电动汽车无线充电技术上存在的障碍包括抗偏移性能的问题,基于LCC-S和S-S拓扑串联构成的混合补偿拓扑,提出一种新型的具有强抗偏移性能的紧凑型电动汽车无线充电系统。使用1套单极型线圈和1套田字形线圈作为2套拓扑的功率传输线圈,以提升电动汽车前进方向和车门到车门方向的抗偏移性能。原边的田字形线圈既作为功率传输线圈,又作为LCC-S拓扑中的补偿电感,实现紧凑和低成本的结构。所提系统实现2个方向的抗偏移性能。最后,通过实验验证所提方案的有效性。     

基于DS-LCC拓扑抗偏移性的建模与优化

针对无线电能传输(WPT)系统中线圈偏移导致功率及效率波动问题,提出基于双边LCC(DS-LCC)拓扑WPT系统的改进模型。首先,对该模型进行传输特性分析,推导出不同横向偏移条件下线圈互感与传输特性间对应的函数式。其次,引入归一化方法并确定偏移后线圈匝数与耦合强度及线圈内阻的线性关系。在上述基础上通过对系统进行参数优化设计,实现特定横向偏移范围内系统输出功率和传输效率抗偏移性的提升。最后,搭建一台100 W的实验样机对理论分析进行验证。结果显示在0～20 cm的横向偏移范围内系统的输出功率始终高于80 W,传输效率始终高于70%。     

二维平面具有抗偏移恒压输出特性的感应式无线充电系统研究

为了降低感应电能传输(inductive power transfer,IPT)充电系统反馈控制的复杂性,增强系统耦合机构抗偏移能力的同时保证系统恒压(constant voltage,CV)输出,该文基于LCC-S与S-LCC拓扑电路特性提出LCC-S与S-LCC混合拓扑电路并分析其抗偏移恒压输出特性;选取double-D quadrature(DDQ)结构线圈作为耦合机构,并提出抗偏移参数设计方法,以实现系统二维平面抗偏移恒压输出。此外,该方法还具有以下明显优点:无需复杂的反馈控制,几乎没有无功输入。最后,该文搭建1k W系统原理样机,在横向和垂向考察抗偏移恒压输出特性。负载在45~120Ω范围内变化时,系统输出电压波动始终介于设定的5%以内,在选定的线圈参数条件下,线圈横向最大偏移50%,而线圈在垂向最多可减小23.33%。实验结果表明该方法有效且可行。     

一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究

在传统的无线电能传输(WPT)系统中,系统发射线圈上的电流随负载变化会引起传输功率和效率的变化。针对该问题,采用集成式LCC补偿拓扑。采用二端口网络分析法对系统进行建模和分析,得出不同负载情况下系统的输出电流和输入电压的增益、输入阻抗实部、系统效率的曲线。为向系统参数的选择提供参考,通过分析负载和耦合系数对谐振元件电压、电流应力的影响,提出了谐振元件参数选取的方法。最后,搭建了集成式LCC补偿拓扑的WPT系统样机,实验结果证明了理论分析的正确性。     

基于DDQ线圈的双耦合LCL拓扑IPT系统及其抗偏移方法研究

基于传统LCL补偿拓扑IPT电路,该文将LCL拓扑中用于补偿的电感替换为一对耦合线圈,既可保证电路谐振,线圈间互感又为系统提供了一个新的能量传输通道,即一种双耦合LCL拓扑IPT系统。首先介绍了DDQ线圈结构与双耦合LCL拓扑电路的特点;理论结果表明,与传统单耦合LCL拓扑IPT系统的传输效率相比,所提出的双耦合LCL系统效率提升了0.8%。此外,该文还提出了一种将LCL拓扑切换为SS补偿拓扑的方法,有效提高系统在偏移时的功率输出能力。最后,通过实验验证了该系统的有效性与抗偏移能力:正对时两对耦合线圈传输功率分别为233W和392W,效率达95.5%;在偏移0～17cm范围内,输出功率始终高于500W,传输效率始终高于88.7%。     

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。     

应用于无人机无线充电的轻量化磁耦合结构

针对现在广泛应用的电力巡检无人机存在的充电自主化水平低问题,本文设计了基于磁耦合谐振原理的无线充电系统。针对目前广泛采用的具有对中机构的"固定机场",通过COMSOL仿真分析3种不同磁耦合机构的磁路分布、磁场强度及抗偏移性能,发现螺线管型磁耦合机构耦合系数高、磁通密度大、抗偏移性能更好。进一步分析了LCC-S电路拓扑结构,并基于此设计了无线充电系统参数并搭建了样机系统。实验结果表明,所设计的无人机无线充电系统接收线圈质量为69g,可以实现100W的功率输出,整机效率达到了80.27%。研究成果为高效轻量化的无人机无线充电系统设计提供了一种有益的参考。     

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。     

基于组合补偿网络的抗偏移恒流输出无线电能传输系统研究

针对无线电能传输(WPT)系统线圈相对位置偏移引起传输效率降低、输出电流不稳定和发射线圈过电流问题,提出一种抗偏移恒流输出型WPT系统及其参数配置方法.该系统将LCC-LCC和串联-串联(S-S)补偿网络进行输入串联和输出串联,并采用QDQPs磁耦合结构.在此基础上,通过合理的参数配置,不仅实现了与负载无关的恒流输出,...