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%。     

多线圈耦合WPT系统效率优化控制策略研究

针对多耦合无线电能传输(WPT)系统存在的高传导损耗现象,提出了一种基于扰动观测法的多线圈耦合WPT系统最大效率跟踪控制策略.此处首先建立了多耦合WPT系统等效电路模型,在系统谐振的情况下,分析了系统整体传输效率与源端电压有效值之比的关系;再根据系统效率模型,以系统效率最优为目标,通过比例积分(PI)闭环实现副端恒功率控制,采用扰动观测法配合移相控制实现源端等效阻抗匹配,最后搭建了基于碳化硅器件的WPT样机模型,实验证明所提方法在不需要源、副端通信的情况下,可以实现多耦合W盯系统的最大效率跟踪控制.     

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%。     

新型四线圈无线能量传输系统的效率建模

构建了新型四线圈结构的电磁谐振式无线能量传输系统,建立了效率模型;研究了系统中效率的频率分裂现象,得到了相邻两线圈间的耦合系数对效率的影响,指出了相邻两个线圈之间的最佳耦合系数,避免了耦合系数设计的盲目性,为系统的设计提供了理论参考。完成了四个线圈之间最佳距离的设计,同时提出了包含电源线圈和发射线圈的双线圈结构的设计方法,增强了系统的稳定性,有效地提高了系统的效率和传输距离。对不同工作频率和耦合系数下的系统性能进行了测试与分析,验证了研究结论的正确性。用上述研究结果,系统可满足40cm的传输范围,当传输距离为10cm时,效率高达80%。     

无线电能传输系统传输距离及传输效率分析

运用电路理论,推导出四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的表达式,并分析了影响传输效率的主要因素。当线圈结构参数选定时,源线圈与发射线圈之间的距离和接收线圈与负载线圈之间的距离成为无线电能传输系统传输距离变化时影响传输效率的关键参数。采用差分进化算法对影响因子进行优化,该方法使得四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统在传输距离发生变化时能动态调整提高传输效率。最后,通过仿真验证了此方法的正确性。     

基于E类逆变磁耦合无线电能高效率传输设计

针对无线电能传输(WPT)系统效率低的问题,提出了一种基于E类双管逆变器和FPGA频率跟踪控制的磁耦合谐振式WPT(MCR-WPT)系统。设计了双E类高频逆变电路,推导出带有E类逆变MCR-WPT系统传输效率的表达式。利用Multisim进行了电路仿真和分析,研究了线圈位置和半径对耦合系数的影响,得出了耦合系数、传输距离和有无频率跟踪对传输效率的影响曲线。研制了小功率WPT装置,在传输距离为8 cm左右时,获得最大传输功率为98,效率为84%。实验结果证明了理论分析的正确性。     

多目标无线电能传输系统线圈综合设计

目前,线圈设计大都是针对无线电能传输(WPT)系统中单个目标的优化设计,对于系统多目标优化的线圈设计则少有研究。针对这个问题,提出了一种给定传输距离和接收线圈外径条件下,满足输入电压要求,且兼顾系统传输效率、功率和成本的线圈综合优化方案。首先建立了WPT系统的电路模型,推导了系统传输效率和功率的表达式;在此基础上,通过COMSOL仿真,分析了传输效率与圆形线圈外径、匝数、层数和匝间距之间的关系。最后搭建了一套实验样机,在电能传输距离20 cm、输出功率400～1 000 W时,系统的传输效率高于90%,验证了线圈优化设计方案的可行性。     

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。     

多耦合线圈自动切换技术的无线电能传输系统

磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)系统功率传输效率随传输距离变化而迅速下降。为此,根据四线圈MCR-WPT系统电感耦合模型,推导出传输效率的数学计算式,以此提出利用不同半径的谐振器耦合线圈来匹配不同传输距离,并利用微控制器自动切换对应的谐振器耦合线圈。为验证设计方法的有效性进行仿真和实验分析,结果表明,这种方法可以使系统能量传输效率在较宽的距离区间内维持高效的水平。     

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%。     

中距离传输共振磁耦合无线取能装置设计与实验

基于磁耦合机构的等效电路模型,开展无线传能耦合特性分析,提出一种新型空间螺旋线圈结构,应用ANSYS有限元分析软件开展发射线圈和接收线圈的电磁场仿真建模,对线圈结构进行电磁优化设计,并对比有无中继线圈的磁耦合机构,发现添加中继线圈可以在有效增加传输距离的同时将系统的传输效率提高1.475倍。最后,构造了一台共振磁耦合无线取能模型样机,实验结果表明,该样机能够实现传输距离为3 m、功率为40 W的LED灯负载供电,由此验证了无线取能线圈设计的有效性。     

无线电能传输系统中组合串绕六边形线圈的互感建模及参数优化

耦合机构是实现无线电能传输（WPT）系统高效可靠运行的核心部件，其高抗偏移性能是推动WPT技术应用与发展亟待解决的关键问题。传统耦合机构采用单一绕制线圈来适应不同的场景需求，存在抗偏移性能差、优化过程繁琐及不具普适性等特点。为此，该文结合紧密绕制线圈和松散绕制线圈各自磁感应强度的分布特点，提出一种组合串绕六边形线圈耦合机构的设计思路。在此基础上，运用电磁理论建立了所提耦合机构的互感和自感模型。以耦合机构的耦合系数为优化目标，以线圈自感和内外径、匝数、匝间距为其约束条件，运用遗传算法实现了线圈参数的自适应寻优。最后，搭建100W的实验样机验证了所提耦合机构及其参数优化方法的有效性。结果表明，耦合机构优化后其耦合系数和抗偏移性能都得以改善，提升了WPT系统的传输效率。     

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。     

弱耦合无线电能传输系统驱动源研究

为了提高无线电能传输弱耦合条件下系统发射端品质因数,提高系统的能量传输功率和效率,针对接收端线圈小型化的需求,提出了一种三线圈弱耦合无线电能传输模型;在采用单管E类功率放大器的作为系统驱动源基础上提出了一种新型阻抗网络匹配调节方法;在提高线圈品质因数的同时能够控制有载品质因数;通过仿真及实验对比方式验证了系统软开关状态对系统功率及效率的影响。最后,通过对驱动源负载网络参数的匹配调整,实现了2.5 MHz频率下60 W功率输出,系统效率达到78%以上。     

传输距离对谐振式无线电能传输系统的影响

发射线圈和接收线圈之间的距离是设计无线电能传输系统的一个关键影响因素。距离的变化对于系统的输出功率和效率都会产生影响。先利用两线圈的互感耦合模型,从电路的角度计算出系统输出功率和效率与耦合系数的关系式再通过ansoft软件仿真得到距离和耦合系数的关系,从而得到最大功率点的位置及效率随距离变化的改变情况。最后,设计了相关的实验电路,实验结果与仿真、理论分析具有较好的一致性。这为设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时选择合适的耦合系数提供了参考依据。     

基于动态匹配法的无线电能传输效率分析

作为无线电能传输(WPT)技术一个新的发展方向,磁耦合谐振式WPT技术具有较大的传输距离、较高的传输功率和效率以及无辐射性和穿透性等优势。然而,在定距离磁耦合谐振式WPT装置中,当发射线圈与接收线圈间的距离由于某种原因发生变化时,电路阻抗需要实时匹配,才能保证系统始终工作在该距离的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种动态匹配优化方法,并通过仿真与实验验证了该方法能有效提高系统在变距离环境中的传输效率。     

基于中继线圈切换的三线圈结构WPT系统效率优化研究

三线圈结构无线电能传输(wirelesspowertransfer,WPT)系统相比于两线圈结构WPT系统,具有更远的能量传输距离和更高的系统传输效率,但该结构的近距离传输效率有待进一步验证。首先,针对这一问题建立全面、精确的三线圈模型;其次,分析得到三线圈近距离传输效率降低的原因:由于阻抗不匹配的问题,导致线圈损耗增加。最后,给出一种基于中继线圈切换的三线圈结构WPT系统,它将两线圈和三线圈的优势结合在一起,解决三线圈近距离传输效率下降的问题。在理论分析的基础上,通过实验验证基于中继线圈切换的三线圈结构WPT系统效率优化方法的可行性。相比于传统两线圈结构,该系统在远距离的效率提升达23%;相比于普通三线圈结构,该系统在近距离的效率提升达22%。     

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%。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈模型研究

针对目前磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈结构理论不完善的问题,提出了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统的互感耦合理论模型,并用Matlab对四线圈无线电能传输系统的传输效率与线圈尺寸、互感系数和距离等参数之间的关系进行了详细的仿真分析。最后,搭建了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统实物模型,测量并分析了不同线圈间的距离对系统传输效率和负载电压的影响,验证了理论分析与实验数据的一致性,为分析磁耦合谐振式无线电能传输的四线圈结构提供了新的理论依据。     

磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析

传统的由发射–接收线圈谐振器组成的基于磁谐振耦合的无线功率传输系统只能短距离的传输能量,在发射端和接收端之间适当的位置插入中继线圈谐振器可以有效的提高传输距离。该文对插入单中继线圈的磁耦合谐振式无线功率接力传输系统进行了研究,得出临界耦合条件和最大功率传输条件。研究了发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合系数k13对系统的影响,并得到避免其不利影响的设计准则。数值仿真和实验表明,恰当的使用中继线圈不但能显著提高传输距离,并且因为系统的传输效率和负载功率对中继线圈的横向偏移和角度倾斜变化不敏感,因此还能提高设计的灵活性。