200W级磁耦合谐振式无线电能传输频率特性的研究

采用磁耦合谐振技术提供了一种新型无线电能传输方式,其安全、可靠、灵活的特点受到广泛关注。为进一步扩展无线电能传输的应用领域,设计较大功率的无线电能传输系统是十分必要的。基于串并结构谐振电路等效模型,通过电路理论推导出补偿电容、电压增益、效率等表达式,应用Matlab软件对系统的谐振频率进行了仿真分析,得出谐振频率偏移对系统性能影响规律。在此基础上设计了一套无线电能传输实验平台,传输距离为1~7 cm,该装置负载端获得功率可达200 W,最高传输效率为80%。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统阻抗分析与匹配电路设计方法

针对无线电能传输系统中阻抗失配引起的效率低和烧毁射频功放等问题,综合考虑耦合因数、电源和线圈内阻,利用互感耦合理论对四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统中射频功放的负载阻抗进行等效分析;并针对通过改变系统互感系数来调整阻抗难以达到理想效果的缺陷,提出和设计阻抗匹配电路方法来调整阻抗。根据阻抗特性设计了π型结构的阻抗匹配电路,给出了系统器件参数的计算方法和结果。最后设计了基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置,并进行了阻抗匹配实验,实验结果与理论分析具有较好的一致性,证明了理论分析的正确性。也为进一步研究自适应阻抗匹配,提高无线电能传输功率和效率提供了有益的参考。     

降低整数阶无线电能传输谐振频率的分数阶方法

针对谐振无线电能传输谐振频率高而电力电子器件目前较难实现高频大功率开关变换器的问题,提出一种基于分数阶原理降低无线电能传输谐振频率的方法,建立SS型分数阶无线电能传输系统的电路模型,推导其输出功率和传输效率的表达式,通过Matlab数值仿真分析分数阶元件的阶数对谐振无线电能传输参数及特性的影响。研究结果表明,采用分数阶电感、电容元件,可以大幅度降低谐振无线电能传输系统的谐振频率,从而降低开关器件的开关频率,且可以输出比整数阶无线电能传输系统更大的功率。     

具有稳流输出的无线电能传输电路

针对LC串联谐振和并联谐振在工作频率发生漂移时,电路整体功率传输能力及效率都会明显下降的问题,提出一种一次侧带有LCC(电感-电容-电容)复合谐振网络的无线电能传输电路。依据互感模型,在基波条件下,分别建立了耦合线圈一次侧与二次侧的等效电路,得到了谐振频率和输出电流表达式,并进一步导出了复合谐振网络中电感与电容的计算公式。实验结果表明,谐振频率与负载电阻无关,在谐振频率下,当耦合线圈的距离保持不变(即互感恒定)时,输出电流的有效值恒定,具有电流源特性。通过实验与仿真结果的比较,验证了对该电路分析与设计结果的正确性和有效性。因此该电路适合于需要电流源供电的负载,经改进后还可用于电场耦合式无线电能传输。     

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。     

基于磁耦合谐振的无线电能传输系统设计

基于磁耦合谐振的无线电能传输技术在众多传输技术中具有传输距离适中和效率较好的优点。阐述了磁耦合谐振式无线电能传输原理并建立等效互感理论模型进行参数分析,进一步基于不对称半桥和LC串联谐振电路拓扑分析了开关管占空比变化对输出功率的影响。设计了一种小功率无线电能传输系统,并通过仿真和实验,验证了理论分析和系统设计的正确性。     

无线电能传输中的高频阻抗匹配特性分析

磁谐振式无线电能传输技术是基于磁谐振耦合现象利用近区磁场进行非辐射性、中距离输电的新技术。阻抗匹配技术在无线电能传输中广泛使用,用以增加传输距离,提高传输效率,使负载获最大功率。常规变压器适于在低频下作阻抗匹配,高频时磁芯容易饱和发热,降低传输效率。使用传输线原理绕制的变压器通过线间电感和电容耦合传输能量,可用于高频传输,亦可在无线电能传输系统中使用。文章分析了无线电能传输阻抗匹配原理,分析了传输线原理绕制的变压器匹配特性,使用高频变压器进行了无线电能传输的比较实验。实验结果表明高频变压器可用于无线电能传输,匹配得当时,增加传输距离的同时,可保持传输效率和最大输出电压,是提高无线电能传输性能的一种可选方法。     

一种采用最小电压与最大电流跟踪的IPT系统动态调谐方法

为解决感应电能传输(IPT)系统谐振频率漂移问题,在系统固定工作频率下,分别在发送端与接收端回路加入相控电感电容并联电路;实时检测DC-DC变换器输出直流电压传送给发送端控制器,控制器根据最小电压原则调节发送端回路的等效输出补偿电容值;同时,实时检测接收端线圈电流传送给接收端控制器,控制器根据最大电流原则调节接收端回路的等效输出补偿电容值,最终使得整个IPT系统处于谐振状态。实验结果表明,所提方法有效实现了动态调谐,降低了电源所需容量,提高了系统的传输效率和功率。     

磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化

以提高磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率为目标,对系统多参数匹配问题进行优化,使得无线电能传输系统整体工作在最佳状态。利用Matlab仿真软件对影响磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的频率、传输距离、负载阻值3个关键参数进行研究。然后以提高系统传输效率为目标,利用自适应粒子群优化算法,寻找这3个关键参数的最优匹配值。最后对自适应粒子群优化算法进行仿真,得到了最优解对应的参数值。仿真结果证明该方法的有效性,研究对磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率优化有指导意义,具有一定的实用价值。     

基于改进粒子群算法的无线电能传输高频阻抗数值研究

为提升磁谐振式无线电能传输系统的传输精度和传输效率,需研究磁耦合谐振式无线电能传输过程的高频阻抗特性。依据最大功率传输原则,获取阻抗匹配适应度函数,通过适应度函数,得到匹配高频阻抗实部和虚部,从电容实时调整的角度出发,更新粒子速度和位置,混沌局部搜索最优粒子;采用惩罚函数处理越界粒子,依照最终获取的最优粒子调整无线电能传输系统中的电容,使调整后无线电能传输系统高频阻抗和适应度函数获取的高频阻抗数值一致,实现对无线电能传输系统中的高频阻抗匹配。实验分析发现,采用该方法匹配高频阻抗后,无线电能传输精度最高可达96.59%。     

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。     

LC移相补偿在无线传能系统性能提升中的应用

为提高无线电能传输系统中电能传递的功率和传递的效率,文中对LC谐振式无线传能电路中采用移相控制技术后的能量传输情况做了研究。简单介绍了LC移相补偿的原理,在Simulink平台下仿真了移相控制下发射端和接收端之间的耦合磁场随移相角的变化情况,并通过实验测量了不同移相角下的电压、电流参数。由仿真和实验结果可知当在区间0-π⁄2时,增加移相角度,接收端功率增加;当移相角度为π⁄2时,接收端功率达到最大,在区间π⁄2-π时,增加移相角度,接收端功率减小;当移相角度为π时,接收端功率降为最低。综上可知移相控制在无线传能系统中可以提升其传输功率。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法研究

磁耦合谐振式无线电能传输和电场感应式无线电能传输是当前研究热点。能量传输往往伴随着信息传输,所以海下无线信息的传输也逐渐受到重视并发展。为此提出一种具有共享通道的无线电能与信息传输系统,使功率和信息可以在同一信道进行传输。在一个开关周期中,电能在前半个开关周期传输,数据在后半个开关周期传送。数据通过频移键控FSK（frequency-shift keying）调制方法进行调制,功率传输的频率设置为285.02 kHz。采用二进制频移键控2FSK（binary frequency-shift keying）调制方法,2个信号载波的频率分别设置为1 MHz和2 MHz。水槽实验平台采用35%盐水模拟海水环境。仿真和实验结果很好地验证了理论分析和计算,证实了电能和信息共享通道进行无线传输的系统对海下电气设备进行供电和数据传输的可行性。     

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。     

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。     

Wireless Power Transmission Model Using Coaxial Helical Solenoid Coils for Powering Utility Equipment

Mid-range low-power wireless power transmission systems using resonant–inductive coupling have recently been in use for powering a variety of household gadgets. A modified resonantly coupled system for a wireless power transmission system using coaxial helical solenoid coils is presented, using distributed parameters predominantly at high frequency. The proposed system is reduced using circuit transformations, and the operating power transfer efficiency under varying conditions of source and load are derived. The model is tested with an experiment consisting of a home lighting utility load for the resonant frequency of 1.2 MHz. The experimental results are in close agreement with the proposed analytical model for varying distances between the transmitter and receiver. A comparison of the operating power transfer efficiency of the proposed model with resonantly and inductively coupled models for varying distances between the transmitter and receiver is presented. Maximum power transfer efficiency by matching source and load resistances is simulated using the RF Toolbox (http://www.mathworks.in/products/rftoolbox) on the proposed, resonantly coupled, and inductively coupled models. The simultaneous conjugate-matching technique for increasing the power transfer efficiency to near 100% is also presented.     

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%。