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。     

电动汽车无线充电新型DD耦合机构设计与优化

基于磁耦合谐振式无线能量传输技术,文中设计一种新型DD线圈结构用于电磁耦合谐振式无线充电系统。通过分析无线充电耦合机构数学模型,确定传输效率与频率、互感、等效负载以及原副边绕组的电阻之间的关系。通过搭建不同的磁耦合线圈结构的ANSYS仿真模型,比较磁耦合线圈结构的改变对线圈参数的影响,确立优化方向。最后搭建系统实验平台对磁耦合机构的优化方案进行验证。在线圈偏移量和输入功率变化的情况下,磁耦合机构效率能够保持在95%左右,实验结果与仿真分析结果一致。     

电动汽车无线充电用方形线圈仿真优化研究

电动汽车由于其节能、环保和低碳等优点受到越来越多的关注。为提高电动汽车无线充电系统传输效率,优化线圈设计,分析了电流源供能的2线圈串串拓扑结构的等效电路模型,并从线圈互感、线圈等效串联电阻以及负载的角度对平面螺旋方形线圈提出了提高充电效率的4个方面,即:最优的线圈匝数、最优的线圈边长、更短的传输距离以及最佳负载,并利用COMSOL软件进行了仿真验证。仿真优化结果表明:线圈边长d与传输距离D存在近似优化关系:d=2D;电动汽车无线充电系统存在一组最优参数:传输距离D=45 cm、线圈边长d=90 cm、线圈匝数N=30和负载RL=80Ω时,系统传输效率达到88.36%,从而实现了电动汽车高效率无线充电。     

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。     

自谐振线圈耦合式电能无线传输的 最大效率分析与设计

谐振耦合电能无线传输是一种新的电能传输概念和方法,它能在中等距离范围内传递能量。该文基于空间隔离两线圈的互感耦合模型,从电路角度分析系统传输效率与线圈尺寸、距离等之间的关系,得到的传输效率表示式,进一步应用于系统最大传输效率的分析,以实现谐振耦合电能无线传输系统优化设计的目标。最后,设计制作一个谐振耦合电能无线传输装置,并设计多组不同参数的线圈进行比较实验,结果证明当空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时,两线圈之间传递能量最大,从而验证该文的理论研究。     

适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计

提出一种适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计方法。在分析磁共振式无线充电系统工作原理的基础上,首先对充电耦合线圈结构进行优化设计,选取多股漆包线并联而成的导线绕制方形耦合线圈,并通过增加线圈层数提升系统传输效率;其次通过实验对比验证,优化选取系统工作频率,最优工作频率为55kHz时,系统传输效率可达85%以上;最后分析线圈相对位置与传输效率之间的关系曲线,优化设计后的系统线圈相对位置为18cm时,最高传输效率为85%。实验结果表明经过优化设计耦合线圈系统传输效率明显得到提升。     

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。     

非对称磁耦合谐振无线电能传输系统效率优化

针对线圈偏置对磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的影响问题,首先,应用电路理论建立了无线电能传输系统的等效电路模型,并通过求解电路方程得到了系统传输效率的表达式;其次,根据线圈互感与空间位置的关系分析了线圈偏置对线圈互感的直接影响以及对传输效率的间接影响;得出了系统线圈偏置分为无方向性偏置与有方向性偏置两种;最后,设计了一套效率优化流程以补偿因线圈偏置而降低的传输效率。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为移动式无线充电系统的设计与优化提供了参考和借鉴。     

电动汽车无线充电系统磁耦合线圈耦合系数的研究

针对电动汽车无线充电系统磁耦合线圈之间耦合系数小、存在偏移的问题,对磁耦合线圈的耦合系数进行了研究分析。首先根据无线充电系统串-串补偿模型,分析了耦合系数与传输功率和传输效率之间的关系。其次,比较了不同形状的线圈在相同围绕面积的条件下,耦合系数随线圈间气隙距离和偏移的变化。以圆形-圆形线圈为例分析了线圈内部参数变化对耦合系数的影响。最后,对比分析了圆形线圈增加磁芯时对耦合系数的影响。研究结果证明了所提方法的有效性。     

无线电能传输磁耦合系统损耗优化

在不含磁芯的无线电能传输WPT（wireless power transmission）系统中，由磁耦合系统引起的损耗是系统损耗的主要组成部分之一，而磁耦合系统的损耗由接收线圈、发射线圈的电阻以及流经收发线圈的电流所决定。结合串/串S/S（series/series）补偿拓扑无线电能传输的电路响应特性，分析磁耦合系统的线圈感量、线圈电阻与线圈匝数的关系，提出了根据发射、接收线圈电流工况调整收发线圈匝数的磁耦合系统线圈匝数组合优化设计方案。绕制3组不同匝数组合的收发线圈（含优化匝数组合及两组对照匝数组合线圈）用以验证优化方案的可行性。仿真及实验结果均表明：在相同工况下，优化组合方案的线圈总损耗均低于对照组，且整体样机的效率均高于对照组。     

消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统

传统的三相感应式电能传输系统的磁耦合机构存在严重的交叉耦合,影响系统效率。为了消除原副边线圈之间的交叉耦合,文中分析了三相串—串拓扑电路,利用DDQ结构线圈解耦的原理,在DDQ型线圈上增加一个与原DD线圈成90°放置的DD型线圈,使不同线圈间互感均为零,由此提出并设计了一种消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统磁耦合机构。最后,搭建了一个3.3 kW的原理样机进行验证。实验表明,所设计的三相耦合机构的交叉耦合可以忽略,最高效率(直流—直流)可达95.61%,当系统偏移15%的情况下,内部的解耦被严重破坏时,系统效率发生下降,最大降低2.16%。实验结果表明该结构有效且可行,可适用于三相大功率传输。     

电流型IPT系统新型输出恒压控制方法研究

针对电流型感应电能传输(IPT)系统负载变化时输出电压的稳定性问题,提出一种基于恒定跨阻增益特性的原边控制方法。以电流型IPT系统采用初次级并联(PP)补偿为研究对象,建立其互感等效电路并进行分析,推导出在特定工作条件下该拓扑具有恒定跨阻增益特性。并进一步分析了PP补偿谐振网络的效率特性,优化谐振网络参数使系统恒定跨阻增益频率为效率最优频率。为保持原边输入直流母线电流恒定,在传统电流型感应电能传输拓扑中加入恒流控制系统,并阐述了恒流控制原理。本文还提出了基于新型控制方法在给定条件下的IPT系统综合设计方法。最后,设计一台80W样机,实验结果与理论分析良好吻合,验证了论文所提控制方法的正确性。     

基于混合补偿网络和双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统研究

感应式无线电能传输(inductive wireless power transfer, IPT)不可避免地受到磁耦合机构偏移的影响。在磁耦合机构发生偏移时,为了使无线电能传输系统仍能具有一定的恒流输出能力,提出一种基于双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统。首先,将LCC-LCC 和LC-LC补偿网络进行输入串联和输出串联,组成双边LCC-LC串联混合补偿网络,并研究其传输特性。其次,设计了一种与满足混合补偿网络要求的双层正交DD(double-layer quadrature DD, DQDD)磁耦合机构,该机构在x、y方向发生偏移时,能实现线圈间的解耦。接着,提出一种系统参数配置方法,通过参数配置可以在磁耦合机构发生一定的偏移时,实现输出电流在开环状态下保持稳定。最后,通过搭建实验平台,验证了以上理论分析的正确性和可行性。     

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 %。     

输入串联输出等效并联多逆变器驱动的高压大功率无线电能传输系统研究

提升逆变器输入侧直流电压源的电压等级,是实现更大功率无线电能传输的可行方案之一。但单个开关器件的额定电压有限,满足不了更高输入电压的需求。为此,文章设计了一种输入串联输出等效并联多逆变器驱动的高压大功率无线电能传输系统。该系统采用多个逆变器串联以承担较高的输入直流电压,同时每个逆变器驱动一个独立的发送线圈向同一个接收线圈发送功率。文章在考虑多个发送线圈之间互感的情况下对该系统的谐振电路参数进行了设计,分析在零相差(Zero Phase Angle,ZPA)及非零相差两个条件下系统的电流和功率输出能力,发现了运行角频率及互感的乘积对系统输出能力具有重要影响。开发出由三个逆变器串联驱动的无线电能传输样机,在750 V直流输入条件下获得最大38. 4 kW的无线电能传输功率,效率达88. 7%。     

基于多接收耦合线圈模式的无线电能传输系统特性分析

在大功率无线电能传输系统的应用中,为降低系统设计难度会采用多接收耦合线圈并联的方式降低器件应力,但是对该模式的特性需要详细分析。在相同输出功率和负载的约束下,对比分析一对一耦合线圈模式和多接收耦合线圈模式,采用固定变量法分析多接收耦合线圈个数与系统互感、频率、负载和效率的关系。在多接收耦合线圈模式下,对单负载和多负载两种情况下系统参数进行推导和分析,论证多接收耦合线圈在提升系统效率方面的优势。最后,通过实验结果验证了多接收耦合线圈模式对系统效率提升有一定的作用。     

高压输电线路在线监测设备无线供电磁耦合机构优化

对高压输电线路进行实时精准的在线监测是保障电网稳定运行的有效手段。磁耦合共振无线供电为解决在线监测设备供电困难的问题提供了一种可行方案,但传统磁耦合共振系统耦合程度弱,传输效率对传输距离变化敏感,总体性能欠佳。基于电路模型分析了耦合线圈互感对传输效率的影响,提出了考虑线圈与磁芯耦合影响关系的联合优化方案从而提升传输性能。仿真和实验结果验证了在同轴间距、水平和角度偏移变化时的系统效率提升。为提升磁耦合系统传输效率和距离提供了一种有效方案。     

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。     

带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率特性分析

探讨了带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetic coupling resonant-wireless power transfer）系统的传输效率优化问题。通过构建和分析带中继线圈的等效电路模型,引入功率传输性能参数|S_ij|²推导出当中继线圈和接收线圈位置固定时,发射线圈和带中继谐振器之间的最佳耦合系数的闭合形式解,进而确定发射线圈和带中继谐振器之间的最优距离,实现总系统传输效率最大化。通过线圈设计及相关实验,验证了分析结果与实验结果的一致性。研究结果表明,MCR-WPT系统可方便配置最佳耦合系数以实现电能传输效率最大化,为带中继谐振器的WPT系统效率优化提供重要参考。     

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。