基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究

磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术,与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高、条件要求低等明显优势,目前国内对此技术的研究大都处于探索阶段。为了准确把握技术核心以及关键点,本文首先建立了无线电能传输模型,并在此基础上利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导,得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素。随后,通过大量实验验证了上述理论分析结论,并且对理论推导结论中未体现的因素进行了实验探索,所得结果对原有理论进行了有益补充,在实验室条件下实现了传输效率为60%、接收功率为2W的电能传输。另外,在对发射谐振频率和接收谐振频率与系统谐振频率的关系分析中,利用互感理论解释了接收端谐振频率与系统谐振频率相同的必要性。最后,总结了在磁耦合谐振式无线能量传输技术应用过程中提高传输效率和有效传输距离的若干方法。     

基于磁耦合共振的线圈特性影响分析

针对磁耦合共振式无线能量传输技术的特点,通过建立规范化得数学计算模型,研究线圈关键参数的相互影响以及各自对系统能量传输距离,效率和功率的影响.并通过三维电磁仿真软件(HFSS)为线圈主要参数如对线圈自感以及互感的性能影响作了仿真分析.提出了一套共振线圈参数设计与调谐方法,对磁耦合共振技术研究的理论指导和参数选取有较好的指导意义.     

磁耦合谐振式无线能量传输系统负载特性研究

介绍了磁耦合谐振式无线能量传输系统工作原理,通过分析原理及实验条件约束选择初级串联拓扑结构,并对次级串联和并联拓扑结构进行了理论分析,探究负载阻抗对接收功率和传输距离的影响。设计并实现了一种磁耦合谐振式无线能量传输系统,通过实验验证了理论分析的有效性,并对实验结果进行了综合分析。     

磁耦合谐振式无线能量传输的阻抗匹配特性

针对无线电能传输过程中传输效率随匹配阻抗大小变化的特点,提出两种阻抗匹配的方法:一种是基于步进电动机通过检测网络反馈信号,控制网络通过GA神经网络算法控制步进电动机,改变电容实现阻抗匹配;另一种是基于直直变换器中Cuk电路的占空比大小来匹配阻抗的方法.在负载和线圈之间嵌入单相桥式整流电路和Cuk升降压变压器实现匹配.根据最大传输功率理论,定量分析了改变电路的阻抗值大小,使系统的传输功率及效率最大.在MATLAB/Simulink平台验证了两种阻抗匹配设计方案的有效性.结果 表明,利用基于步进电动机和Cuk电路的阻抗匹配方法可以实现最佳阻抗值匹配,使无线电能传输效率最大化.     

基于磁耦合谐振无线能量传输系统传输效率的研究

磁耦合谐振无线能量传输技术是一种近几年才被提出的前沿技术,它适合于中等距离上电能的无线传递。本文基于空间两空心线圈的互感耦合模型,从电路角度推导了PSSS系统传输效率的表达式,通过MathCAD计算软件分析了系统传输效率关于电源频率、副边负载、空间线圈距离的关系。再通过设计一组空心密绕型线圈,用SP1651功率信号发生器做电源,对传输效率的理论分析进行验证,实验结果验证了理论分析的正确性。最后在以上分析的基础上,设计制作了基于L6599半桥逆变的PSSS无线能量传输装置;该装置谐振频率93.79khz,传输功率15W,传输效率达到87.1%。     

磁耦合共振单发双收系统传输特性分析

针对电器设备、武器系统等应用中存在一个能量发送端同时为多个负载非接触供能的情形,基于磁耦合共振的无线能量传输原理,建立了磁耦合共振"单发双收"理论模型,求解出"单发双收"系统输出总功率的数学计算公式。理论分析发现"单发双收"系统传输特性与"单发单收"性质类似,即当发送线圈和接收线圈距离的耦合系数较大时,系统存在共振频率分叉现象,并随收发端距离的增大,频率分叉现象逐渐消失。当系统存在两个接收端时,共振频率随径向距离的变化而变化,并且两接收端耦合越强,偏移现象越明显。利用OrCAD仿真软件和实验手段对系统传输特性进行仿真分析和实验研究,结果显示,实验、仿真结果与理论分析结论相吻合,文中所建磁耦合共振"单发双收"理论模型能准确描述系统传输特性。     

磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化

以提高磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率为目标,对系统多参数匹配问题进行优化,使得无线电能传输系统整体工作在最佳状态。利用Matlab仿真软件对影响磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的频率、传输距离、负载阻值3个关键参数进行研究。然后以提高系统传输效率为目标,利用自适应粒子群优化算法,寻找这3个关键参数的最优匹配值。最后对自适应粒子群优化算法进行仿真,得到了最优解对应的参数值。仿真结果证明该方法的有效性,研究对磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率优化有指导意义,具有一定的实用价值。     

基于无线能量传输的充电平台设计及其性能分析

无线能量传输作为一种新型的电力传输技术,为数量飞速增长的电子产品提供了便捷的充电方式,然而大功率驱动电路、充电距离和效率一直是制约无线充电技术实际应用因素.针对这些问题,基于磁耦合无线能量传输理论,对无线充电的等效电路进行了理论分析,探讨了影响充电效率的主要因素.以STM32单片机作为控制核心,通过设计大功率H桥式驱动电路、整流电路等,研制并搭建了无线能量传输充电实验平台,并对系统工作频率、无线充电距离以及有无中继线圈对系统性能的影响进行了实验和分析.结果表明所设计的无线能量传输充电平台具有相对完整的功能,且在24 V驱动电压、2 cm充电距离的情况下,负载接收功率达到了2.5W.     

一种小尺寸磁谐振耦合无线能量传输系统的实验研究

随着科技的进步,越来越多的小型家用电器、体内植入器件等电子设备得到广泛应用.但能量供应问题制约了设备的发展,尤其是体内植入器件,电池的续航问题未得到有效的解决.磁耦合谐振无线能量传输技术作为一种新的无线能量传输方式,能够实现中距离传输电能,可解决上述问题.本文应用Ansoft软件对磁耦合谐振系统工作时的电场分布进行仿真分析,同时将系统放置于空气、模拟人体组织液、新鲜猪肉中进行实验,对系统传输效率进行实验研究.实验表明系统可以在上述环境中满足体内植入器件等用电设备的供电需求,能有效解决植入器件的能量续航问题,具有广阔的应用前景.     

磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制研究

采用频率为100~500 kHz的高频逆变器为无线电能传输(WPT)提供高频交流电源,并基于此研究了WPT的频率跟踪控制以解决频率失谐带来的不良影响。通过理论分析得出,当磁耦合谐振式WPT采用SS或SP拓扑时,可以直接跟踪发射端电流频率,而对于接收端电流,需先将其经过一定处理才可作为被跟踪的信号。经过仿真得出,即使起振频率偏离系统固有谐振频率,直接跟踪发射端频率后也能使电路的工作频率稳定在固有谐振频率,而直接跟踪接收端电流时,电路的工作频率偏离固有谐振频率较远。在理论分析和仿真研究的基础上,实验验证了直接跟踪发射端电流频率的WPT。     

谐振式电能无线传输中频率与距离的关系分析

对谐振耦合电能无线传输系统进行了理论推导,得出在等效阻抗虚部为零时系统达到谐振状态,传输效率可达到最大的结论,并用MATLAB仿真得出在频率分裂的情况下谐振频率与传输距离之间的关系曲线,用实验数据验证了结论的正确性。     

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。     

Scaling Law of Coupling Coefficient and Coil Size in Wireless Power Transfer Design via Magnetic Coupling

Wireless Power Transfer (WPT), such as magnetic resonant coupling using a magnetic field, is being studied and discussed for a wide variety of applications. When the transmission distances are large, very large transmitters and receivers need to be considered. However, in the early stages of an investigation, it might be prohibitive to manufacture and evaluate coils of such a large size. To reduce costs and effort, a scaling law can be used to estimate the WPT efficiency of very large coils using the results of smaller coils. In this paper, a scaling law is proposed that relates the coil size to the coupling coefficient, assuming the ratio between the coil diameter and coil length remains constant. The coupling coefficient is one of the parameters that determine the maximum efficiency of magnetic field WPT. The proposed method was verified by an electromagnetic field simulator and experiment. The results of this study provide an easy method for estimating the WPT efficiency of very large coils.     

磁耦合谐振式无线能量传输技术效率分析

详细阐述了磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理,建立了系统等效模型并分析得到系统传输效率公式,从而得出影响系统传输效率的因素,具体包括负载阻抗、系统频率、线圈线径、线圈半径、线圈匝数、线圈位置和传输距离。针对理论分析得到的各个影响因素,逐一仿真验证了它们对效率的影响效果,为提高磁场谐振耦合式无线能量传输系统的效率提供了理论依据。     

Effect of Axial Slit on Metallic Tube for Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling

Wireless power transfer using a metallic tube with an axial slit was attempted to demonstrate the wireless power transfer using magnetic resonance coupling to the diagnostics infrastructure. The transmission efficiency with variable distance was measured using the transmission and receiver resonators in the tube. Besides, the transmission and receiver resonators were, respectively, set outside and inside the tube. These experiments are carried out in the computational study using FDTD method.     

Fundamental Evaluation of Power Supply and Rectifiers for Wireless Power Transfer Using Magnetic Resonant Coupling

This paper provides a fundamental analysis of a power supply and rectifiers for wireless power transfer using magnetic resonant coupling (MRC). MRC enables efficient wireless power transfer over middle‐range transfer distances. MRC for wireless power transfer should operate at a high frequency in the industry science medical band, such as 13.56 MHz, because the size of the transfer device decreases at higher transfer frequencies. Therefore, the output frequency of the power supply on the transmitting side should be 13.56 MHz. In addition, the rectifier on the receiving side is operated at a high frequency. This paper focuses on the reflected power in the power supply and rectifiers. Thus, the parametric design method is clarified for the power supply, including a low‐pass filter to match the output, the impedance of the power supply with the characteristic impedance of the transmission line. In addition, the effects on the rectifiers of silicon carbide and gallium nitride diodes are confirmed by performing an experiment and a loss analysis.