离散时间迭代的LCC-S型无线电能传输系统建模及稳定性分析

为了建立LCC-S型无线电能传输(WPT)系统的模型并分析其稳定性，采用离散时间迭代的思想，建立了开环控制模式下LCC-S型WPT系统的模型，该模型可以描述系统的连续动态特性。在此基础上，进一步推导了电压型比例积分控制LCC-S型WPT系统的离散时间迭代模型，同时利用Pade近似将延时时间纳入数字控制系统。基于雅可比矩阵特征根的稳定性分析评估了控制器参数、延时时间和主电路参数对系统稳定性的影响，准确预测了系统的稳定范围。同时利用特征根预测了系统不稳定时的振荡周期。然后，对稳定边界受控制器参数和主电路参数变化的影响进行了研究。此外，将LCC-S型WPT系统的EDF模型、GSSA模型和离散时间迭代模型进行临界稳定预测值的对比。最后，仿真和实验验证所建立模型和稳定性分析的正确性。     

一种一次侧控制WPT系统输出功率策略

在无线电能传输(WPT)系统中,其输出功率很大程度上取决于负载和耦合系数,然而这些条件在实际应用中通常是可变的。为了在不同耦合条件和负载下获得稳定的输出功率,提出了一种一次侧控制WPT系统输出功率策略。首先建立等效模型详细分析了LCC-S补偿型WPT系统输出功率与输入电压和并联补偿电容峰值电压关系,然后在初级LCC补偿网络前级联Buck电路实现对输出功率的闭环控制。最后,搭建相应电路实验平台,在耦合系数、负载阻值改变的工况下,分别进行开环实验和100 W恒功率控制实验。实验结果表明,在一定范围内负载和耦合系数变化时,100 W恒功率输出时误差不超过5.2%,整机效率可达84.2%。     

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%。     

基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析

LCC-S(一次侧LCC、二次侧LC串联)型无线电能传输(WPT)系统具有发射侧输出电流恒定以及对耦合机构错位的高容忍性等优点,近年来被广泛应用。然而WPT系统固有的非线性特性可能会导致系统失稳,因此文中以LCC-S型WPT系统为研究对象分析系统出现的不稳定现象。首先,将谐波状态空间(HSS)理论引入WPT系统建模,给出了将时域中的状态空间方程转化为HSS方程的方法,该建模方法考虑了系统中各次谐波的相互耦合作用,具有更高的精确度。其次,基于Pade近似等值延时环节,推导了基于HSS理论的闭环控制模式下系统的小信号模型。通过特征值的分布研究控制器参数以及硬件参数对WPT系统稳定性的影响规律。最后,通过仿真和实验验证了所建数学模型的准确性以及理论分析的正确性。     

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。     

基于D.D.D.型松耦合变压器的无线电能传输系统研究

无线电能传输（WPT）技术克服了传统有线输电过程对输电场地条件、维护便利性以及安全性的严苛要求，具有广泛的应用场景。在WPT技术中，原副边线圈间的抗偏移特性直接影响着系统电能传输的质量、效率及可靠性。通过对松耦合变压器进行优化，设计相对应的补偿网络以增强系统的抗偏移特性及输出稳定性。所设计的D.D.D.型松耦合变压器具有较强的抗偏移能力，并且具有良好的磁屏蔽特性。在传统变压器等效模型基础上，考虑漏磁通的影响，提出了对称型并串联/串并联补偿拓扑结构。通过调频控制，维持系统输入阻抗角为零，实现系统高效稳定的输出。最后，为了验证理论分析，搭建了基于D.D.D.型松耦合变压器的250 W实验平台，系统效率达到了88%。     

单调谐因子的PSS型无线电能传输系统

无线电能传输(WPT)系统在实际应用过程中,收发侧线圈经常会不可避免的面临偏移工况,这会导致输出功率剧烈波动从而造成系统的不正常工作。针对此现象,提出了一种单调谐因子的PSS型WPT系统,该方法通过选定合适的补偿电容基准值和调谐因子对发射侧补偿网络电路进行抗偏移优化设计,使得WPT系统能在较大的线圈偏移范围内依然保持输出功率的相对稳定,同时研究了系统发射线圈电流的自调节情况,并分析其对维持输出功率稳定的作用机理。最后,设计出一台95 W的功率样机对所提出的单调谐因子PSS型WPT系统进行实验验证,实验结果表明,该实验样机能在线圈最大偏移量小于40%的范围内,实现系统输出功率波动率小于9.89%,同时最大整机效率达到90.7%。     

双侧调谐的PSS型无线电能传输系统

线圈偏移引起的输出功率剧烈波动是无线电能传输（WPT）系统在实际应用过程中不可避免的重要问题之一,其会造成系统的不正常工作甚至对用电设备造成危害。为解决线圈偏移带来的输出功率波动问题,在此提出一种双侧调谐的PSS型WPT系统,通过引入2个调谐因子使发射侧补偿网络和接收侧补偿网络同时都工作在失谐工况,进而使得系统能够获得良好的抗线圈偏移扰动性能,同时也与单侧调谐PSS型WPT系统进行了性能对比。最后,搭建了一台50 W的实验样机对所提出的双侧调谐PSS型WPT系统进行验证,实验结果表明,该样机能在耦合系数为0.22～0.35的波动区间内,保持系统输出功率波动率小于4.89%,同时最大整机效率达到89.6%。     

双发射单元无线电能传输系统抗偏移特性研究

双发射单元无线电能传输(WPT)系统采用两个发射单元对系统进行供电,能够有效提升系统的抗偏移特性.首先对双发射单元的系统建立数学模型,从理论上分析了功率波动的影响因素.针对接收线圈横向偏移过程中互感变化影响因素进行了仿真分析,给出了一种耦合机构的设计方法,通过对发射线圈及接收线圈匝数进行优化选择,从而保证系统具有平稳的输出功率和较高的效率.最后搭建了一个双发射单元磁耦合WPT系统进行了实验验证,实验结果表明接收端在正负5 cm的偏移范围内系统输出功率仅变化2 W,系统效率保持在80％以上.     

基于漏感补偿的可变恒流输出补偿网络参数确定方法及其特性分析

基于变压器T网络模型中等效参数的多解性和漏感补偿原理,提出对给定的磁耦合系统通过补偿参数设计使WPT系统实现可变恒流输出的新思路。利用电路理论分析不同等效电压比n下使WPT系统获得不同的转移导纳的机理和参数确定方法。同时对考虑磁耦合系统线圈电阻影响的补偿参数确定方法及其频率偏移特性进行了理论建模及分析,指出当等效电压比n减小时,其参数敏感度均会降低,有助于提高WPT系统的负载调整率。最后构建了WPT的实验平台,实验结果证明了理论分析的正确性。     

具有抗偏移特性的IPT与CPT结合的WPT系统

目前无线电能传输(WPT)技术正在迅速发展,并广泛运用于各种电子设备.由于耦合结构的偏移会导致系统输出发生较大的变化,为扩宽WPT技术的应用范围,高抗偏移性是WPT技术不可缺少的特性.为完善WPT技术的抗偏移特性,这里提出了一种基于感应式能量传输(IPT)技术与电容式能量传输(CPT)技术的串联系统,通过优化系统结构,...     

基于频率切换实现电池恒流和恒压充电的LCC-S补偿WPT系统研究

无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统具有安全、方便、美观等性能优势,已逐步渗入到人们的日常生活中。在电池充电应用中,通常期望WPT系统能够在零相角ZPA(zero phase angle)条件下实现负载无关的恒流和恒压充电功能。提出了一种基于频率切换的LCC-S补偿WPT系统及其参数设计方法,可使系统在2个不同的ZPA频率点分别实现负载无关的恒流和恒压充电输出,无需改变电路拓扑结构。设计的LCC-S补偿WPT系统接收侧仅有一个补偿电容,确保了WPT系统接收侧紧凑性。最后,搭建了一台充电电流和电压分别为3 A和50 V的实验样机,验证了本研究中WPT系统的合理性与实用性。     

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。     

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%。     

基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法

在感应电能传输（IPT）系统中,线圈错位难以避免,造成的耦合变化会导致系统的传输功率不稳定。为了保证IPT系统的供电灵活性,系统需具有容忍线圈宽范围偏移的能力。为此,该文借鉴模态切换的思想,提出一种基于钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统,用于增强系统抗偏移性。与传统多模态切换的IPT系统相比,该系统中的钳位电路可根据耦合变化自适应地导通或关断,以调节工作模态,从而实现近乎恒定的功率输出,该方法无需耦合识别、输出检测及反馈通信等辅助手段。该文对系统不同工作模态的功率传输特性进行了推导和分析,并结合系统设计相关约束条件,提供一套参数化设计方法。最后设计并搭建一套500 W的实验装置,验证了理论分析的正确性与可行性。实验结果表明,该方法在耦合度为0.205～0.42的情况下,输出功率稳定在470～505 W之间,效率为83.29%～90.21%。     

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。     

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。     

用于电动大巴的无线充电系统研发

随着电动车辆的发展与投入,无线电能传输(WPT)技术受到越来越多的关注。这里针对电动大巴大功率充电的需求,研发了一套WPT系统。该系统适用于380 V三相交流电网输入,采用基于LCC-S型谐振补偿拓扑的感应式WPT技术,其输出功率可达30 kW。同时在结构设计方面考虑到车体空间限制,在车载侧采用三重化Buck电路进行充电调压控制。最后通过实验验证了所设计的WPT系统可实现电动大巴大功率充电需求,并且具有良好的电能传输能力,效率可达92.7%。     

基于中继线圈的电动汽车静态无线充电系统抗偏移性能提升研究

横向偏移问题是无线电能传输WPT（wireless power transfer）系统在电动汽车领域的应用中面临的主要难题。为提升电动汽车静态无线充电系统抗偏移性能，提出一种基于中继线圈切换的WPT系统。首先，建立了两线圈结构与三线圈结构WPT系统数学模型。其次，研究了两线圈结构与三线圈结构WPT系统抗偏移性能，通过结合两线圈结构与三线圈结构的优势，提高系统整体抗偏移能力。最后，搭建样机进行实验验证，结果表明，在横向偏移距离为线圈尺寸50%的范围内，系统输出效率均达到85%以上。