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%。     

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。     

具有强抗偏移性能的电动汽车用无线电能传输系统

针对电动汽车无线充电时线圈偏移会造成输出电压不稳定和效率迅速降低的问题,设计一个抗偏移性能优异的电动汽车用无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统,该系统采用LCC/S补偿拓扑以及扁平螺线管磁耦合结构,并在后级加入数字闭环Buck变换器,以实现精确的恒压输出。分析LCC/S补偿拓扑的输出特性,说明扁平螺线管磁耦合结构抗偏移性能优异的原因,借助有限元仿真软件优化线圈和磁芯的尺寸。为验证理论分析,搭建输出功率恒定为500W的系统样机,样机使用的磁耦合结构的外尺寸为306mm×300mm×16mm。结果表明,当传输距离176mm时,能量传输效率高达88%,即使横向偏移达到230mm,系统仍能输出恒定电压。     

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。     

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%。     

二维平面具有抗偏移恒功率输出特性的IPT系统研究

针对IPT系统的耦合机构偏移会造成耦合系数变化,影响系统输出功率的平稳性,提出一种原边失谐 副边谐振的串串补偿拓扑与“方+田”线圈结构结合的设计方法以提升系统抗偏移恒功率输出能力。为验证所提方法的有效性,搭建1.8 kW的原理样机进行实验,结果表明IPT系统沿X轴方向偏移±220 mm、沿Y轴方向偏移±220 mm（占最大线圈尺寸55%）,输出功率波动程度在5%以内,系统效率始终高于90.0%,最高值达92.4%。     

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%。     

一种共享磁通多耦合模式的无线电能传输系统抗偏移方法

针对无线电能传输系统在发射侧和接收侧偏移时输出功率和传输效率降低的问题,该文从共享磁通的角度提出了基于LCC拓扑的反极性同心式补偿电感集成方法,并提出了两种集成结构。建立了基于多耦合工作模式和线圈品质因数的反极性同心式无线电能传输系统输出功率和传输效率的数学模型,从数学模型上验证了集成式结构的抗偏移能力,仿真结果显示集成式结构在正对和偏移情况下,其磁通密度均优于非集成式结构。搭建了补偿电感集成式结构的实验样机,实验结果表明,补偿电感集成式结构在一定的偏移范围内能保持稳定的传输效率和输出功率,在相同输入电压和传输距离下比非集成式结构具有更高的传输效率和更大的传输功率。     

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,...     

基于失谐的无线电能传输系统抗偏移性研究

针对无线电能传输系统磁耦合机构两侧偏移引起输出功率大幅度波动的问题,文中提出了一种基于失谐的补偿网络参数和结构的优化方法,以提高输出功率的抗偏移性.文章根据极值点的导数为零且函数取最大值的数学思想,使两侧线圈正对的额定工作点对应输出功率的极值点.在此基础上,分析发现了 SS补偿拓扑的补偿参数与输出功率抗偏移性之间的规律...     

用于提高无线充电抗偏移能力的补偿参数确定方法及控制策略

电动汽车无线充电过程中,磁耦合器原、副边线圈的偏移会导致无线充电系统(WPTS)功率的剧烈波动。为了提升系统输出功率的抗偏移能力,以三线圈方形线圈结构磁耦合器为例,研究了非谐振的电容补偿参数选择方法并提出了基于品质因数的控制策略,降低了工程应用中的控制难度。设计并研制了一台3 kW样机进行了实验验证,结果表明采用所提控制策略,在横向偏移距离小于250 mm和纵向偏移距离小于100 mm的情况下,WPTS输出功率均大于3 kW,输出功率的波动小于1 kW,效率仍高于90%。     

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%。     

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。     

一种四线圈WPT系统的耦合动态调整方法

在四线圈的磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,其效率随着传输距离及负载的不同而剧烈变化。由于传统WPT系统的线圈耦合参数难以根据工况进行动态调整,造成整体的传输功率及效率相对较低。为此,该文提出了一种新的四线圈WPT系统耦合调整方法。在详细分析并推导系统传输模型的基础上,提出在耦合线圈间设置辅助线圈实现耦合系数等效调整的方法,从而提高系统在不同传输距离下的传输效率及输出功率。该方法具有损耗小、调整范围大等优点。最后,通过实验样机的测量验证了所提出方法的可行性。样机的端到端效率峰值达到了86%。同时,所提出的耦合调整方法将系统在传输距离大于150mm,即发射线圈与接收线圈耦合系数小于0.05时的输出功率与整机效率由原有的20W、46%提升至50W、60%。     

基于DDQ/DD耦合机构的强抗偏移电动汽车用无线充电系统

电动汽车无线充电系统在耦合机构发生偏移后,存在输出电压波动大和效率降低的问题。为此,该文提出基于DDQ/DD耦合机构(原边DDQ、副边DD耦合机构)和双路LCC/S补偿拓扑(原边DD和Q线圈均采用LCC补偿,副边DD线圈采用S补偿)的强抗偏移无线充电系统。为减小补偿元件应力,提高系统抗偏移性能,提出基于电压波动率最小原则的DDQ/DD耦合机构和补偿参数联合优化设计方法。为验证理论分析,搭建输出功率为1kW的实验样机,所用耦合机构原、副边外尺寸分别为550×550mm~2、350×350mm~2,横向偏移150mm过程中,系统输出电压波动率低至7.43%。     

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。     

基于线圈定位与电容阵列的感应式无线电能传输系统调谐控制

在实际应用中,感应式无线电能传输系统通常存在耦合线圈错位的复杂工况,影响系统的传输功率和效率。基于线圈定位与电容阵列提出一种适于S/SP补偿网络的调谐控制策略,在错位失谐工况下,主动利用原、副边线圈的位置信息,优化系统特性。为了量化系统的输出电压波动,建立了S/SP补偿网络在全工况下电压增益曲线的计算模型。进而为确保错位工况下系统的恒压输出特性,在给定的耦合系数变化范围和输出电压波动指标内,给出了电容阵列切换级数和容值调节步长的最优设计,并与传统定电容补偿进行对比。最后,通过一台800 W输出的原理样机对所提策略的有效性进行验证。验证结果表明,采用所提调谐控制策略,可以显著提高系统的输出功率与效率,并大幅降低其输出电压波动。     

一种基于PCB平面螺旋线圈的自补偿多中继无线电能传输系统设计

针对多中继无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输特性不明确,一体化中继线圈难以构建等问题,文中研究一种基于平面线圈的自补偿多中继WPT系统,可应用于高压输电系统数据采集模块供电等领域,能够有效提升传输效率。首先分析不同中继线圈个数条件下多中继系统在串联及其他补偿条件下的恒压或恒流输出特性;其次,阐明印刷电路板(printed circuit board,PCB)自补偿线圈中电感、电容参数设计方法;以优化线圈电阻为目标,提出一种设计PCB自补偿线圈的方法;最后,搭建一套基于PCB自补偿线圈、工作频率为1.67MHz、总传输距离为1.1m的多中继WPT系统实验平台。实验结果表明,所提方法能够有效改善多中继WPT系统性能。