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。     

基于互感差异的双拾取无线电能传输系统功率分配控制策略

针对双拾取无线电能传输系统的系统功率分配问题,利用阻抗分析方法分析了LCL-S型拓扑结构下系统功率以及系统效率的影响因素,并提出一种在满足负载功率需求条件下的系统效率最优的功率分配策略。该控制策略根据系统负载功率和耦合机构互感优化拾取端的功率分配,实现功率传输和效率的优化控制。最后,通过仿真与实验验证了理论分析的正确性。     

应用于无线电能传输的Litz线平面矩形螺旋线圈高频电阻计算

在外部磁场的影响下,导线中的高频电流呈不均匀分布,致使其导电面积远小于横截面积,从而引起额外的电阻,称之为高频电阻。高频电阻中的感生电阻与磁场的平方呈正比。应用毕奥-萨伐定律对Litz线平面矩形螺旋线圈中的磁场进行分析,以计算线圈中的高频电阻,进而分析其最大品质因数及最优运行频率。对几个线圈原型的测量表明,该分析方法较好地预测了线圈在不同频率下的电阻及最优运行频率。使用两个外边长460 mm×208 mm、内边长312 mm×64 mm的矩形线圈所制作的无线能量传输系统,距离500 mm时,在稍低于预测的最优频率时获得的最大DC-DC效率为58.7%,接收端功率为50 W。     

电场耦合式无线电能传输系统的功率源设计

高频功率源作为电场耦合式无线电能传输系统的重要组成部分,其工作效率关系着整个系统的效率。针对传统高频逆变拓扑电路体积过大、设计复杂和逆变损耗高等问题,根据无线电能传输系统对所需电能的要求,设计了高频高效的E类功率放大器作为其前端的高频功率源。运用电路理论和ADS射频仿真软件对E类功放电路进行理论和仿真设计,并在此基础上制作实验样机。实验测试表明,所设计的E类功率放大器具有较高的电能转换效率,且电路体积小,工作稳定。     

全方位无线电能传输系统设计

针对泛在监测背景下低成本、复杂度低的全方位无线电能传输系统需求,从线圈设计角度提出了一种使用单电源的全方位无线电能传输系统。该系统发射线圈设计为一条导线制成的六面连通立方体,接收线圈为单个矩形线圈。通过磁场分布和互感特性的仿真分析,选择了最优的全方位线圈结构。实验表明在发射线圈任意角度传输功率和效率均能满足无线电能传输系统要求。最终从传输距离和传输角度两个方面,总结了全方位系统的电能传输规律,为接收线圈的最佳安装范围提供依据。     

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。     

谐振式无线电能传输系统损耗模型

针对无线电能传输系统损耗的量化计算问题,本文以电流型谐振式无线电能传输系统为例,对其损耗进行了完整的分析与计算。考虑了电流型全桥谐振变换器开关管的旁路二极管和谐振回路带来的环流影响,使得建立的逆变器的损耗模型更为精确。该模型还充分考虑了高频效应带来的影响,给出了耦合机构的高频内阻计算公式。实验结果验证了模型的正确性和有效性。通过该模型可得到系统损耗的主要组成部分及主要决定因素,对无线电能传输系统的设计与改进具有重要的参考意义。     

超导无线电能传输技术

近年来,无线电能传输技术已成为了热点技术。与传统电能传输方式相比,无线电能传输更为方便、安全,并已被应用于多个领域。由于无线电能传输效率取决于发射与接收线圈本身的电阻,线圈电阻越小,传输效率越高。超导体所具有的直流零电阻、交流低损耗的特性,使得超导材料用于无线电能传输具有显著的效率优势。介绍了超导无线电能传输技术的研究现状,中国科学院应用超导重点实验室关于超导无线电能传输方面已经开展和正在进行的研究工作,指出了超导无线电能传输技术潜在的应用前景。     

全方向无线电能传输电磁耦合系统仿真分析

近年来,全方向无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性好、安全可靠性高和环境亲和力强等独特优势,受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注.高性能的电磁耦合系统作为全方向无线电能传输系统的关键环节,对实现高效的系统能量传输有着至关重要的作用.首先,运用电路理论建立了全方向线圈结构的等效电路模型,得到系统输出电压和输出功率的表达式...     

串-串谐振无线能量传输系统稳定性研究

从电路理论的角度建立了串-串谐振结构的无线能量传输(WPT)系统的功率模型和效率模型,将系统参数分为谐振参数和工作参数两部分,分别考察两类参数对模型的影响。通过将谐振参数空间分区比较,指出了当谐振参数在对称点处时系统具有最优的功率稳定域和效率稳定域。在谐振参数对称时,通过研究功率和效率模型的导数随工作参数变化的情况,提出了工作参数稳定域,给出了稳定的判别条件。结论可帮助设计系统的谐振参数及确定系统工作时的工作参数范围。理论分析与实验数据吻合,证明了模型和结论的正确性。     

应用于无线电能传输系统的三相单开关功率因数校正方法

为降低无线电能传输系统工作过程中对电网的谐波污染,提出了一种采用三相单开关Boost电路的有源功率因数校正控制方法。通过对串联谐振式无线电能传输系统的有源功率因数校正电路工作条件的分析,研究了线圈耦合系数对有源功率因数校正控制效果的影响。利用三相单开关Boost电路的输出特性和串联谐振电路的阻抗特性规律,对系统在变耦合系数情况下的工作点进行校正,实现较高功率因数输入和相对高效率的输出。实验结果表明,所提出的校正控制策略对变耦合系数无线电能传输系统有减小输入电流畸变、提高功率因数和效率的控制效果。     

动态无线能量传输系统中的通信网络

为了解决电动汽车发展中的充电不便及续航不足的问题,在无线能量传输WPT（wireless power transfer）技术研究基础之上,动态无线能量传输DWPT（dynamic wireless power transfer）系统的研究得到了越来越多的关注。建立及时、高速、稳定的数据通信网络,对于分段式DWPT系统中进行车-源协调控制、实现电动汽车电池荷电状态信息和车辆位置信息的实时共享、保证源的及时投切以及确保系统能够提供有序高效的供电过程至关重要。对分段式DWPT系统中的通信网络需求、原边布置与通信网络架构的关系进行了阐述,通过采用原边CAN总线通信及原副边基于SPI接口设置的无线通信模块nRF24L01,构建了实例系统中的网络通信架构,并在构建的小功率DWPT演示平台上对所提通信网络进行了实验验证。     

整流模式下BWPT系统功率变换器的等效输入阻抗分析

由于功率变换器的等效负载阻抗对双向无线电能传输(BWPT)系统的特性分析有影响,因此对该等效负载阻抗进行计算有重要意义。文中首先建立了采用双向全桥功率变换器和LCC补偿的BWPT系统模型;然后,构建了工作于整流模式的功率变换器的等效电路,并对其整流工况进行了分析;进而,推导了双向功率变换器等效负载阻抗的计算方法;最后,搭建了试验平台,对建立的模型和提出的方法进行了验证。结果表明:工作于整流模式的双向功率变换器的等效负载阻抗包含电阻和电抗两部分,且它们的值与开关器件并联电容、补偿电感以及负载有关,所提出的方法能有效地对该等效阻抗进行计算,进而有助于准确地分析系统特性。     

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。     

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。     

无线电能传输系统的全双工FMPSK通信方法

无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统的控制、监测等操作需要在能量发送侧和能量接收侧之间建立通信链路实现,为此提出了一种基于WPT系统的全双工调频相移键控FMPSK(frequency-modulated phase-shift keying)近场通信方法,该方法采用较小的相位调制深度来减少对能量传输的干扰,并使用频率调制器和频率解调器来保证信号传递的准确性。首先介绍了FMPSK全双工通信的总体方案设计,其次通过推导出WPT系统输出功率和效率的相应数学表达式来探究FMPSK通信方法对能量传输的影响,最后通过仿真对所提的方法进行验证,证实了能量传输受到信号通道的影响很小,同时实现了可靠稳定的全双工信号传输。     

一种无通信的无线电能传输阻抗匹配方法

磁耦合谐振式无线电能传输系统由于线圈两侧的电气隔离,通常使用无线通信来实时获取原副边的电压电流信息并对其进行控制。在一些特殊应用场合比如航天器,由于频率管制等原因无法使用通信电路。为了解决该问题同时使得系统的传输效率最优,提出了一种无通信的阻抗匹配方法。该方法选用Buck电路作为阻抗匹配网络,在负载电压变化时采用线性拟合的方法对整流输出电压进行控制,进而实现对系统最大效率的跟踪。建立了系统的等效电路模型,在不同负载下对系统的效率曲线进行了分析,给出了系统的控制策略。仿真与实验表明,在10cm的传输距离下系统的效率保持87%以上,验证了无通信阻抗匹配方法的可行性。     

A Proposal of Identifying Optimized Layout of Devices in Electromagnetic Resonant Coupling Type Wireless Power Transfer System

Recently, a system for wireless power transfer (WPT) using electromagnetic resonant coupling has been evaluated and developed for practical applications such as a wireless charge system for automobiles or electronic devices. However, the efficiency of an electromagnetic resonant coupling type WPT system with LC resonators is greatly affected by the layout of the LC resonators allocated in the system. This means that there is an optimum layout for the LC resonators for transferring wireless power at higher efficiency. This paper presents a new method for identifying the optimum layout for the LC resonators in a WPT system. One of the key ideas is that the problem of finding the optimum layout is replaced by the problem of calculating the equivalent current sources in the LC resonators. The amplitude of the equivalent current sources can be calculated to solve ill‐posed system equations by using inverse analysis. First, the proposed method is described. The system equations to be solved are formulated by means of equivalent circuit techniques. Second, the proposed method is applied to a simplified model to identify the optimum layout for the LC resonators in a WPT system. Then, the results found using the proposed method are verified by comparing the ratio of receiving power with the identified layout and without the LC resonator. Finally, in order to verify the validity of the proposed method, the calculated results are compared with the experiment results using the same model.     

Research on Maximizing Power Transfer Efficiency of Wireless In‐Wheel Motor by Primary and Load‐Side Voltage Control

The authors have developed a wireless power transfer (WPT) system for an in‐wheel motor (IWM). It is called a wireless in‐wheel motor (W‐IWM). This paper presents a method that enhances the WPT efficiency in this system. Some methods that maximize the power transfer efficiency by power converter control have been proposed in the past WPT research. In this research, a dc‐dc converter is inserted on the receiver side to vary the load state. However, the space on the receiver side is very small for the W‐IWM; therefore, it is preferable to make the secondary circuit small. Therefore, a full bridge converter is used instead of a dc‐dc converter in the W‐IWM. In this paper, the authors propose a theoretical formula for the transfer efficiency of the IW‐IWM. From an analysis of this formula, there is a combination of a primary voltage and load voltage that maximize the efficiency. The feasibility is validated by an experiment using a motor bench set.     

多单元耦合的能量双向无线馈动系统分析及控制策略

双向无线电能传输技术是无线电能传输领域的一个重要研究方向。文中研究了含有(k+1)个能量传输单元的双向无线电能传输系统,通过建立(k+1)个传输单元的能量馈动模型,提出一种灵活控制系统功率流动方向以及有功出力(或功率分配)的方法。该方法利用各回路单元双向变换器出口电压幅值以及相角之间的关系,降低了系统能流方向和功率分配的控制难度。以3回路能量传输单元的双向无线电能传输系统为例,给出了功率流动方向控制和有功出力控制的约束关系,并进行仿真与实验研究,结果验证了理论分析的正确性与可行性。