磁谐振中距离无线电能传输及关键科学问题

阐述了磁谐振中距离无线电能传输的3种方式及可能的物理解释;对磁谐振中距离无线电能传输系统的主要参数,即传输距离、传输效率、传输功率和谐振频率进行分析,指出现阶段可能达到的极限参数。分析表明,传输距离主要受磁谐振耦合无线电能传输原理的限制,系统效率主要受功率放大器效率和传输效率的限制,传输功率的大小主要受电磁环境要求的限制,而谐振频率的选取受传输距离、传输功率、功率放大器和频率管制等的制约。最后对无线电能传输的电磁环境问题进行了分析。     

采用新型负载恒流供电复合谐振网络的无线电能传输系统

针对传统LC谐振拓扑无线电能传输(WPT)系统在负载动态变化时,无法实现负载恒流供电及系统工作频率失谐问题,提出一种新型一次侧LCL、二次侧LCC复合谐振网络无线电能传输系统。首先,在基波条件下,依据漏感模型建立了磁路机构等效电路,得到了谐振频率和输出电流表达式;然后,通过系统参数优化设计,进一步推导出了复合谐振网络中实现负载恒流供电以及系统谐振工作频率稳定的条件。仿真结果表明,基于参数优化设计的新型复合谐振网络无线电能传输系统,能够实现负载无线恒流供电,并且系统工作频率稳定。实验结果验证了理论分析和仿真分析的正确性和有效性。     

双频段磁耦合谐振式无线电能传输系统特性分析及实验验证

双频段无线电能传输系统可以提供两个不同频率的传输通道以实现电能和信号的同步传输。根据单一谐振频率的电能传输线圈的阻抗特性提出了双频段无线电能传输线圈的设计思路,并设计了双频段磁耦合谐振式无线电能传输系统,系统接收端采用陷波电路分离信号和电能。构建部分元等效电路对线圈阻抗特性、系统电能传输能力和传输效率进行计算,由此得出系统可同步传输信号并且不影响其电能传输效率。最后,设计了和理论计算系统参数一致的实验装置进行实验验证,结果与理论分析具有较好的一致性,验证了设计方法的有效性。     

磁耦合谐振式无线电能传输ARM和CPLD控制研究

磁耦合谐振式无线电能传输是中距离传输技术。两个耦合电路通过电磁场传递能量,当发射回路和接收回路处于谐振状态时,谐振体之间能量交换效率最高。设计了1台谐振频率70 k Hz的实验装置,发射端以ARM和CPLD为主控芯片,接收端以ARM为主控芯片,分模块设计了控制电路,并提出了一种基于ARM的频率跟踪控制方法。实验表明,控制系统运行稳定,控制效果理想。     

磁谐振无线电能传输系统线圈设计综述

线圈是无线输电系统中实现电磁耦合谐振的核心部件,具有高品质因数和均匀磁场的线圈是无线电能传输系统获得高传输效率和稳定输出的重要保证。基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。此工作对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统频率分裂抑制方法

磁耦合谐振式无线电能传输系统工作在过耦合状态时,会发生频率分裂,导致系统在原谐振频率处的效率变低。文中运用等效电路理论,推导出了效率、输入阻抗与频率的关系表达式,并以此为基础,分析了频率分裂现象,得到了影响系统频率分裂和效率的几个关键参数。随后提出了一种调节系统关键参数的方法,为了调节系统参数,提出了使用L型阻抗匹配网络来调节等效负载电阻的方法。使用所述方法可以有效抑制系统的频率分裂现象及提高系统效率。最后,设计开发了一套磁耦合谐振式无线电能传输系统装置,仿真和实验结果验证了该方法的有效性与正确性。     

基于垂直中继的U型高压线路无线供电系统设计

为解决110 kV输电线路杆塔侧在线监测设备的供电问题,文中创新提出一种基于垂直中继的U型高压线路无线供电系统。首先结合互感耦合理论与有限元仿真,提出U型无线供电系统的整体设计方案,实现杆塔侧在线监测设备长距离、大功率、高效率、宽频带的无线供电。在此基础上建立系统级仿真模型,对U型无线供电系统的距离特性、频率特性、负载特性及电磁分布特性进行分析,验证了设计方案的可行性和电磁兼容性。最后搭建实验平台,在600 kHz的工作频率和1.2 m的传输距离下,系统输出功率达到73.58 W,能够满足杆塔侧在线监测设备的实际功率需求,为无线电能传输技术在高压设备供电领域的应用提供了参考依据。     

Circuit modeling and efficiency analysis for wireless power transfer system with shielding

It is an effective way to use magnetic shielding scheme in magnetic coupled wireless power transfer (WPT) system to reduce magnetic flux leakage. However, the additional shielding material would affect the equivalent circuit model and the power transmission efficiency of WPT system. Although the impact of some common shielding materials on the transmission efficiency has been studied using finite element simulation, there is still a lack of understanding about the impact to the equivalent model in theory. In this paper, the equivalent circuit and transmission efficiency of WPT system are analyzed theoretically under the influence of different shielding materials, and the relationship between material electrical characteristics and transmission efficiency is presented. In our WPT prototype with two 166-mm diameter coils under ferrite shielding and aluminum shielding, the achieved maximum transmission efficiencies are 95.7% for 100-kHz resonant frequency and 97.9% for 1-MHz resonant frequency under the ferrite shielding, and the efficiency errors between the analytical and experimental results are less than 5% for 100-kHz resonant frequency and 10% for 1-MHz resonant frequency.     

A coil layout of wireless power transfer systems based on multicoil arrangement for underwater vehicles

This paper proposes an optimal coil layout of wireless power transfer (WPT) systems for underwater vehicles (UVs). The power supply station adopts a multicoil arrangement with a double layer, and the UV also uses two receiving coils. The proposed WPT system for UVs has a reasonable advantage, where it does not request to adjust the relative position of coils. This paper experimentally discusses an optimal coil layout based on measurement results of a coupling coefficient. As a result, the proposed coil arrangement with the geometry rule realizes a certain power transfer under any positions and directions of UVs.     

计及系统性能提升的谐振式无线充电开关器件死区优化

针对双边LCC谐振式无线充电的逆变器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)死区时间设置影响传输功率及效率的问题,提出了一种适用于其拓扑结构的死区优化设计方法。首先建立了双边LCC谐振式无线充电系统的数学描述,并简述其运行模态,推导出次级侧补偿电容与输入感性阻抗的量化规律。然后据此提出了一种死区时间优化设计方法,以实现与无线充电系统特性密切相关的逆变器软开关。最后,搭建了一套实验平台,实验结果表明,此优化设计方法可确保逆变器运行完全实现软开关,提高了无线电能传输功率及效率。     

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。     

考虑整流性负载特性的LCC-S型无线电能传输系统优化设计

无线电能传输系统中的整流性负载具有非线性特征,而对系统传输特性分析和谐振参数设计时常采用基波分析法,将整流性负载等效为纯电阻,导致理论分析与实际存在一定偏差、系统偏离谐振状态。针对该问题,以LCC-S型无线电能传输系统为研究对象,考虑谐波以及整流性负载的非线性,对系统传输特性进行分析,进而提出基于整流性负载补偿的负载阻抗和接收端串联谐振电容参数的计算方法,并对逆变电路开关特性进行分析验证。所提接收端谐振参数设计方法能够使系统接收端回路谐振,提高系统的输出功率;降低逆变电路开关管的关断电流,提升系统的传输效率。搭建了一套2.5 kW的LCC-S型无线电能传输实验平台,验证了理论分析与所提参数设计方法的有效性和正确性。     

磁共振无线能量传输系统损耗分析

首先分析了磁共振无线能量传输系统传输功率的影响因素,在对比非谐振与谐振系统传输功率特性的基础上,提出整体分析能量传输系统损耗的分析思想,将电容损耗、驱动源损耗纳入分析范畴之内。通过建立损耗分析等效电路,提出应统筹考虑降低有功损耗与驱动源损耗的设计原则,并通过实验验证分析了的正确性。     

邻近耦合无线电能传输系统的高效屏蔽设计与优化

在无线电能传输技术的实际应用中,当多个距离相近的无线电能传输系统同时工作时,系统间漏磁场引起的耦合会对周围的电磁环境产生影响,干扰系统谐振参数,进而降低系统工作效率。针对此问题,文中设计了一种谐振屏蔽线圈以消除系统间邻近耦合,分析了其工作原理及其对改善邻近耦合和传输效率的影响。通过仿真及实验,研究了线圈形状及匝数对屏蔽效果的影响,并对屏蔽线圈进行了结构优化。结果表明,方形密绕线圈屏蔽效果较好,可有效降低系统间邻近耦合造成的参数扰动,有助于系统调谐以提高邻近耦合下的系统传输效率。     

Scaling Law of Coupling Coefficient and Coil Size in Wireless Power Transfer Design via Magnetic Coupling

Wireless Power Transfer (WPT), such as magnetic resonant coupling using a magnetic field, is being studied and discussed for a wide variety of applications. When the transmission distances are large, very large transmitters and receivers need to be considered. However, in the early stages of an investigation, it might be prohibitive to manufacture and evaluate coils of such a large size. To reduce costs and effort, a scaling law can be used to estimate the WPT efficiency of very large coils using the results of smaller coils. In this paper, a scaling law is proposed that relates the coil size to the coupling coefficient, assuming the ratio between the coil diameter and coil length remains constant. The coupling coefficient is one of the parameters that determine the maximum efficiency of magnetic field WPT. The proposed method was verified by an electromagnetic field simulator and experiment. The results of this study provide an easy method for estimating the WPT efficiency of very large coils.     

线圈非同轴时磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率优化

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈非同轴放置时系统的传输效率过低的问题,运用耦合模理论,推导出系统的效率表达式。并以此为基础,分析发射线圈与接收线圈非同轴放置时,系统传输效率的变化规律。为解决发射线圈与接收线圈之间非同轴放置时系统效率过低的问题,提出一种基于混沌优化算法的参数动态调节方法,该方法能使系统几个关键参数实现最优匹配,有效提高系统的传输效率。最后,研制了一套磁耦合谐振式无线电能传输系统装置。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。     

基于耦合系数估计的电动汽车无线电能传输最大效率跟踪

电动汽车行驶(EV)过程中可通过无线电能传输(WPT)提高续驶里程,而车辆轴荷的改变或者路面状况引起的悬架振动会改变发射线圈和接收线圈之间的耦合系数,导致WPT系统远离最大效率传输点。为了解决WPT系统效率随着耦合系数的波动而偏离极值点的问题,以串串(SS)型拓扑为研究对象推导出耦合系数实时估计方程,在此基础上提出了一种新的最大效率跟踪控制方法,利用PI控制调节接收侧直流电流,从而使得WPT系统在耦合系数变化时也可以维持最大效率状态。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。     

具有可变增益恒压特性的三线圈WPT系统补偿网络结构及参数确定新方法

含有中继线圈的三线圈无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统可以提高系统的传输距离和传输效率。文章基于耦合电感模型分析,并建立传统串联/串联/串联(series/series/series,S/S/S)补偿结构的三线圈磁耦合系统数学模型,但该数学模型不够直观,不易对磁耦合系统除自感谐振式外的其他补偿参数确定方法进行分析。因此,提出利用变压器T网络模型进行三线圈磁耦合系统建模的新方法。基于所获得的解耦电路模型和等效漏感补偿理论,确定串联/串联/串联-并联(series/series/series-parallel,S/S/SP)、并联/串联/串联(parallel/series/series,P/S/S)、并联/串联/串联-并联(parallel/series/series-parallel, P/S/SP)补偿结构,提出S/S/S、S/S/SP、P/S/S、P/S/SP补偿结构的参数确定方法。所提方法在磁耦合系统不变的情况下,通过补偿电容及等效变比的设计,获得可变增益恒压的输出特性。该方法电路模型简单,设计思路清晰,参数选择灵活,有助于拓宽输出电压增益范围。     

一种用于SS谐振无线电能传输系统变频移相控制下实现恒压和ZVS的参数设计方法

无线电能传输是一种方便灵活的电能传输方式。以串联-串联SS(series-series)谐振无线电能传输系统为研究对象,通过变频移相控制实现了后级的恒压输出与前级逆变器的零电压开通。首先基于无线电能传输系统的交流等效电路对系统特性进行分析,提出一种在采用变频移相控制下能够同时实现恒压与零电压开通的频率区间存在性判断方法。基于此判断方法,根据相角裕量与系统安全要求对谐振网络参数进行限定,保证了系统在当前设计参数下能够在相应工作指标下正常运行。最后搭建了一套250 W无线电能传输装置,对系统分析的正确性与参数设计的合理性进行验证。     

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究综述

近年来,无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）受到越来越广泛的关注,本文对无线电能传输技术的几种主要传输形式进行了介绍,重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术（MCR-WPT）。针对MCR-WPT技术,首先介绍了系统的基本结构,并对其建模方式和机理进行分析,然后重点阐述了磁耦合谐振无线电能传输的关键与热门技术的发展现状,最后对该技术目前存在的问题和发展趋势进行了展望。