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,...     

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%。     

锥形线圈无线电能传输特性优化

锥形线圈具有平面螺旋线圈与柱形螺旋线圈的综合特性,可用于无线电能传输系统中的磁耦合机构。本文首先基于电路理论建立模型,推导出磁耦合机构参数与系统输出参数的关系;然后利用Maxwell软件,从磁感应强度与互感的角度分析与比较传统平面螺旋线圈与圆柱螺旋线圈,提出匝间距不同的两种锥形线圈,两种线圈分别使用铁氧体板及铁氧体条;最后搭建无线电能传输系统实验样机。实验与仿真结果表明,与柱形螺旋线圈相比,锥形线圈结构作为发射线圈时,接收线圈在偏移距离为0～75mm内可获得最高达85.5%的电能传输效率,最高提升4.9%;偏移距离为0～50mm内输出功率也较高,最高达264W,提升15.3%。     

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%。     

基于三维电磁仿真软件的无线充电耦合机构建模与仿真研究

针对电动汽车无线充电技术,考虑发射线圈和接收线圈发生径向偏移的情况,基于两线圈结构的串串型拓扑,通过三维电磁仿真软件Maxwell来对比圆形、矩形和DD型线圈的抗偏移性能。通过添加磁芯和铝板等对所选线圈进行优化设计。借助Maxwell和Simplorer实现联合仿真,验证该无线电能传输系统设计的可行性。在两线圈间发生偏移的情况下,为实现无线电能传输系统的传输效率达到95%以上的目标,给出了一种基于线圈比较选择的磁耦合机构设计流程,并根据流程设计了切实可行的无线电能传输系统。通过试验验证了该系统的可行性。     

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。     

具有可变增益恒压特性的双线圈无线电能传输系统补偿网络设计与分析

为了实现具有恒压特性的双线圈无线电能传输(WPT)系统中补偿网络的优化设计,该文在变压器T网络模型基础上定义等效耦合系数k_r与等效变比n₁,为双线圈WPT系统的高阶补偿网络设计与分析提供一种新方法。首先建立变压器T网络等效模型,给出具有恒压特性的串联-串联(S-S)型双线圈WPT系统元件参数表达式。其次结合等效耦合系数与等效变比,提出具有可变增益恒压特性的串联/并联-串联(SP-S)型与串联/并联-串联/并联(SP-PS)型双线圈WPT系统的补偿网络参数确定的新方法。在此基础上,考虑寄生电阻对系统传输特性的直接影响,以WPT系统的电压增益稳定性与传输效率为指标,得出不同等效参数下传输特性表达式,推导出在线圈偏移情况下最佳等效参数k_r与n₁的表达式,为WPT系统的补偿网络的优化设计提供理论依据。最终通过实物实验验证所提系统的恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。     

基于线圈偏移的无线电能传输系统参数优化方法

磁耦合谐振无线电能传输系统在实际设计过程中,系统线圈的相对位置是系统传输性能主要影响因素之一,针对传统电能传输系统中线圈发生偏移时造成的效率亏损问题进行研究,提出一种基于萤火虫算法的参数设计方法,实现线圈在非同轴放置时的效率优化;首先对不同位置下的线圈互感系数进行分析,然后引入双边LCC拓扑结构对其传输性能进行分析,根...     

无线电能传输中的QDS线圈偏移特性研究

在无线电能传输系统中,不可避免地会出现发射线圈和接收线圈未对准的情况,这会降低线圈的耦合系数和传输效率。目前常用的线圈,例如DD线圈、DDQ线圈等,仅在一个方向上具有良好的偏移特性。为了解决这个问题,该文提出了一种在多个方向上都有良好抗偏移能力的QDS线圈。首先研究了线圈的磁耦合结构,推导了QDS线圈互感的理论表达式;然后利用JMAG软件,对方形线圈、DD线圈、QD线圈和QDS线圈进行仿真,通过分析线圈的磁感应强度分布特性和偏移特性,证明QDS线圈具有较强的抗偏移能力;最后,搭建了平台,测量线圈偏移时的互感,通过与方形线圈、DD线圈和QD线圈进行比较分析,验证了QDS线圈的优势。     

一种动态无线电能传输系统的线圈切换方法

阵列式动态无线电能传输系统因其运行损耗和漏磁更小、灵活性更好而被提出,其工作性能通常取决于发射阵列和接收线圈的结构。提出了一种基于LCC-S补偿拓扑的线圈切换方法,使切换时刻的互感下降和互感突变最小化以提高系统的偏移容忍度;同时,比较了应用该切换方法后,单层和双层发射阵列系统的工作性能。仿真结果显示,虽然双层发射阵列系统的切换控制更复杂,但在接收线圈与发射线圈间发生偏移时其输出功率下降更小,偏移容忍度更高。实验结果证明,该线圈切换方法在实际中有效可行。     

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。     

一次侧线圈阵列的无线电能传输系统设计

无线电能传输系统采用松耦合变压器进行能量传递,但由于发送端与接收端相对位置较远,耦合系数较低,故带来磁路环节传输效率低的问题。根据松耦合变压器的互感模型,分析了几种因素对传输效率的影响,并选择一次侧和二次侧电路均串联电容的补偿方式,设计了带有两个一次侧线圈的无线电能传输系统,包括一次侧线圈切换电路、电流检测电路以及控制程序。该设计提升了整个系统的功率因数,有效地改善了磁路环节的传输效率。     

分拣机器人无线传能系统耦合机构的仿真

物流行业飞速发展,大量的物流分拣机器人投入使用,其充电方式以接触式充电为主,存在一定的安全隐患,因此,文中提出对其采用磁耦合谐振式无线电能传输技术进行无线充电,通过有限元软件COMSOL对无线传能系统线圈进行仿真,对所提出的三种线圈仿真模型进行了磁场仿真以及数值计算,仿真并分析了三种模型的磁场强度分布和距离变化对传输特性的影响。仿真结果表明,矩形轨道式无线传能系统传输效率与负载功率相对稳定,更适合对分拣机器人进行无线充电。     

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。     

带E类功放的磁耦合谐振无线输电系统源线圈优化

首先为磁耦合谐振式无线输电系统设计了一款E类功放作为系统输入端电源。鉴于E类功放性能易受负载参数影响,通过优化无线输电系统源线圈结构来降低因E类功放特性造成的系统性能下降。提出了三类源线圈结构,在多负载情况下分别测试负载两端电压变化情况,对比研究各结构下负载间耦合情况对负载电压的影响和各结构下系统的传输效率。研究发现多源线圈单谐振结构能通过利用负载间的耦合来降低由磁场分布引起的负载电压变化。而在E类功放下,串联型分立的多源线圈多谐振结构易造成系统性能下降,负载间耦合对负载影响也十分明显。     

采用三维偶极线圈的无线电能传输系统多自由度拾取机构

无线电能传输系统拾取机构相对于发射机构的方向性比较敏感,拾取机构的角度变化将会极大影响系统的能效特性。为实现无线电能的多自由度拾取,文中提出一种采用三维偶极线圈的无线电能系统多自由度拾取机构,对拾取机构多自由运动时的磁路进行了分析,引出拾取线圈输出组合方式的讨论;选取整流后串联模式搭建了三维偶极拾取线圈的等效电路模型,以拾取最大功率及输出平稳性为优化目标,对偶极线圈的匝数进行了优化。用COMSOL进行有限元分析,得出三维正交偶极线圈比三维正交环形线圈具有更高的功率密度的结论。实验结果表明:拾取机构任意旋转下,输出电压较为稳定且输出功率维持在10 W以上。     

线圈匝数对磁耦合谐振式WPT输出功率的影响

针对磁耦合谐振式无线电能传输的4线圈模型中线圈匝数对系统传输功率的影响,本文通过建立系统模型,利用电路理论计算得出系统的输出功率公式,并使用MATLAB软件仿真分析了系统的输出功率曲线.分析结果表明在4线圈的结构和材质相同的情况下,接收线圈的匝数增加比发射线圈匝数的增加使系统的输出功率要提高很多.同时,接收线圈匝数的增加使系统功率达到最大值的频率有明显的下降,而发射线圈增加相同匝数时,频率变化不明显.该结果还表明,接收线圈匝数增加时系统输出功率达到最大值对应的负载电阻在变大.因此,在4个线圈结构相同时,增加接受线圈匝数可以提高输出功率.     

基于S-LCL补偿的磁场感应式电能传输系统研究

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)是电力电子领域当下的热点研究方向之一。在许多应用场合,需要无线电能传输系统具备不受松耦合变压器线圈自感所限制,且与负载无关的恒定电流输出能力。文章提出一种基于S-LCL补偿的磁场感应式无线充电系统及其补偿参数的整定方法。通过对系统补偿参数的合理设置,系统能够在近似零相位角(zero phase angle, ZPA）运行下实现电流的恒定输出。通过调整补偿参数的大小,功率MOSFET能够实现零电压开关(zero-voltage switching, ZVS)。为验证理论分析的正确性,文章搭建了实验样机,其输入直流电压为50V,输出直流电流为4A,电能最大传输效率达92.8%。