应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的高效率E类逆变电源设计方法

ZVS型E类逆变器被认为是工作效率最高的功率放大器,被广泛用作磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统的驱动电源,此系统的效率不仅仅在于电能依托线圈载体无线传输的效率,还在于逆变电源的工作效率。本文通过对ZVS型E类逆变器建模分析,得出其额定最佳工作状态下的输出功率与设计参数、负载间的关系;采用电路互感理论构建E类逆变器驱动的四线圈结构MCR-WPT系统的等效模型,并以驱动电源的额定最佳工作状态为优化目标进行负载匹配,给出电源适应于负载的高效率MCR-WPT系统设计方法。最后通过实验证明了这种方法能够实现发射端逆变电源与接收端负载的高度匹配,系统的输出功率得以显著提升。     

三线圈MCR-WPT系统中继线圈轴向位置的优化研究

探究三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中继线圈的最优轴向位置对优化系统传输性能至关重要,为此深入研究三线圈MCR-WPT系统的传输特性,应用电路互感耦合理论结合同轴线圈互感计算方法得出了系统最大功率和最大效率传输条件;基于上述最优传输条件,对宽负载范围内中继线圈轴向偏移对系统传输特性的影响进行了电磁仿真。仿真结果表明：中继线圈传输功率和传输效率的最优轴向位置与负载有关,均随负载的增大向接收线圈一侧偏移,当电源内阻与负载相等,中继线圈位于耦合机构中间位置时系统可获得最大传输功率,靠近发射线圈一侧时可获得最大传输效率。最后,搭建了三线圈MCR-WPT系统实验平台,实验验证了理论与仿真的正确性。     

基于自互感调节的无线电能传输用E类逆变器软开关技术研究

针对基于E类逆变器的无线电能传输(WPT)系统中等效负载变化导致的硬开关问题,通过考虑源荷线圈耦合关系,分析多发射线圈等效耦合系数变化特征,得到发射端多线圈串联的线圈结构,实现了耦合系数及负载网络参数的动态调整,使等效负载在0～2Ropt(2倍理想负载)范围内均可实现软开关效果.最后通过仿真和实验验证该方法的可行性和有效性.     

多负载磁耦合谐振式无线电能传输系统特性分析

为解决单一电能发送端为多个负载同时提供电能的问题,文章基于磁耦合谐振工作原理,对多负载磁耦合谐振式无线电能传输系统进行建模,对线圈方位特性、线圈品质因数特性和系统功效特性进行分析和研究。首先推导得出在存在径向偏移的情况下,适度角度偏移会使互感增大,其次通过公式推导和仿真验证,实现了多负载MCR-WPT系统功效最大同步。然后在保证系统传输距离和负载输出功率前提下,运用自适应度粒子群寻优算法获取多负载磁耦合系统对应传输效率最大值;最后通过有限元仿真与实物系统搭建的方法,验证了该算法的正确性。     

基于螺线方程的MCR-WPT系统线圈设计

在磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetically-coupled resonant wireless power transfer）系统中,线圈作为能量中转的关键环节,其参数的设计决定了系统的传输效率,但目前仍然没有成熟完善的线圈设计方法。将平面螺旋线圈作为研究对象,采用阿基米德螺线方程,建立了精确的数学模型,分析了耦合线圈互感、自感、电阻与线圈几何参数的关系,得到了较为精确的计算方法。通过COMSOL进行仿真验证,在线圈匝间距较小时,各电量计算误差在5%以内。针对给定的限定条件,以线圈传输效率作为优化目标,通过Matlab求解出最优的线圈参数。最后,绕制实际的线圈并由实验测得其最大传输效率超过95%,证明了线圈设计方法的合理性。     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统特性分析

首先建立电路模型,结合互感计算,对磁耦合谐振式无线电能传输特性进行建模和仿真分析,研究发射线圈和接收线圈电感值的选择对系统传输特性的影响,建立传输距离、谐振频率与负载功率、传输效率等传输特性的关系,为发射和接收谐振回路的参数设计提供详尽的理论依据;其次分析宽频E类功率放大器特性,为电路在宽频带工作状态下保持较高的系统效率提供了解决方案;最后通过实验分析,对理论推导和仿真结果进行验证。     

MCR-WPT系统接收线圈偏移角度的测量方法研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)系统接收线圈相对于发射线圈偏移角度的不确定性，导致系统传输效率波动较大的问题，提出了一种基于反射阻抗的MCR-WPT系统接收线圈偏移角度计算方法。根据基尔霍夫电压定律建立发射线圈反射阻抗与线圈互感之间的关联，再根据空间两线圈的互感公式推导互感与线圈偏移角度之间的关系式，从而建立反射阻抗与偏移角度的表达式。利用Maxwell和Simplorer仿真软件搭建线圈模型和外围电路进行联合仿真，同时搭建了完整的MCR-WPT系统实验装置，在两线圈距离不同的情况下做了多组实验。仿真结果显示两线圈设定角度与计算角度平均绝对误差为2.57°,实验结果显示设定角度与计算角度平均绝对误差为2.94°。通过上述方法可以较为精确地计算出短距离无线电能传输系统接收线圈的偏移角度。     

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。     

电动汽车无线充电用方形线圈仿真优化研究

电动汽车由于其节能、环保和低碳等优点受到越来越多的关注。为提高电动汽车无线充电系统传输效率,优化线圈设计,分析了电流源供能的2线圈串串拓扑结构的等效电路模型,并从线圈互感、线圈等效串联电阻以及负载的角度对平面螺旋方形线圈提出了提高充电效率的4个方面,即:最优的线圈匝数、最优的线圈边长、更短的传输距离以及最佳负载,并利用COMSOL软件进行了仿真验证。仿真优化结果表明:线圈边长d与传输距离D存在近似优化关系:d=2D;电动汽车无线充电系统存在一组最优参数:传输距离D=45 cm、线圈边长d=90 cm、线圈匝数N=30和负载RL=80Ω时,系统传输效率达到88.36%,从而实现了电动汽车高效率无线充电。     

可抗负载敏感性的大功率D/E类逆变器设计

逆变器作为无线电能传输系统的发射前端,关系到整个系统性能的优劣。但是,常见全半桥逆变器在高频下开关损耗大、控制复杂,而高频化的E类逆变拓扑又存在着对负载变化敏感等缺点。此处结合半桥与E类逆变拓扑技术,提出一种基于D/E类逆变拓扑结构以实现500 kHz下大功率无线电能传输。该拓扑结构不仅继承了半桥逆变器MOSFET电压应力低,可实现大功率逆变的优点,还具备E类逆变拓扑的高效性,并且有效降低了逆变器对阻抗的变化敏感程度。在线圈距离微变化扰动情况下,发射端逆变器可以保持在零电压开启(ZVS)状态,实现了高效率输出。实验结果验证了D/E类逆变器在高频化无线传能系统中的可靠性,实现了传输功率500 W下线圈距离变化1 cm时,其仍具有软开关特性,有效降低了逆变器对于负载的实部、虚部变化的敏感性,其输出效率大于95%。     

双中继和三中继线圈位置参数对无线电能传输功率的影响

提出使用带多个中继线圈的电磁谐振式无线电能传输技术来解决智能电网中高压侧电子设备的供电可靠性和稳定性问题。建立了多中继线圈无线电能传输的理论模型,给出了线圈互感、负载功率和传输效率的计算方法,对双中继和三中继情况下线圈间距变化时的负载功率和传输效率及总距离一定时中继线圈位置的变化对传输功率的影响进行了仿真计算,得到了负载功率最大时的线圈位置和对应的传输效率,并进行了实验验证。结果表明,双中继和三中继时,中继线圈能够大大提高传输的功率、效率和距离;负载功率最大时,中继线圈位置并非等距排列,对不同参数的系统需要进行仿真计算和实验来确定中继线圈的最佳位置。     

磁耦合谐振式无线电能传输电动汽车充电系统研究

为研究电动汽车无线充电系统,解决电动汽车有线充电时的不安全、不便利问题,采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,从改进传输线圈结构出发,在传输线圈外侧增加导磁体,将磁通尽可能束缚在两传输线圈之间,减小向外界的泄漏,缩短磁通在空气中的磁路长度,从而有效增强无线电能传输系统的耦合程度,大大增加传输功率,提高低频条件下的传输距离和效率。设计了具有频率自动跟踪控制的12 k W/70 k Hz高效磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统,并进行实验研究,得到一系列传输线圈距离和负载阻抗、传输功率及传输效率之间关系的实验数据。特别地,实验结果表明在传输距离0.3 m、输入功率12.6 k W时,谐振频率为72.6 k Hz,传输效率达到94.33%。     

基于TensorFlow神经网络的MCR-WPT系统负载与互感识别方法

针对磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统负载与互感识别精度低、速度慢等问题,提出一种基于TensorFlow神经网络的双LCC型MCR-WPT系统负载与互感识别方法.该方法基于TensorFlow深度学习框架,采用神经网络模型,将MCR-WPT系统的负载与互感识别问题等效为非线性方程的求解问题,进而转化为深度学习非线性拟合问题,并给出模型的训练方法,最后得到基于TensorFlow神经网络的MCR-WPT系统负载与互感识别模型.通过离线方式训练负载与互感识别模型,并将训练完成的识别模型导入微型控制器,只需要采集系统输入电流值和传输距离就能够实现负载与互感在线同时识别,识别速度快、精度高,有利于系统的实时控制,且成本较低、易于实现,有利于工程推广应用.     

(20期拿下）谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计*

谐振耦合式无线能量传输方式可用于中距离传输能量,是一种新型的能量传输方式。文中针对谐振耦合式无线电能传输系统中谐振线圈对无线电能传输的影响问题,建立两线圈等效电路模型,详细分析了线圈谐振状态和互感对系统传输功率和效率的影响,提出了一种兼顾系统传输功率与效率的谐振器优化设计方法,并结合实例仿真,设计制作了多组参数的谐振线圈进行比较实验,结果证明,在谐振状态下两谐振线圈匝数乘积为定值时,系统的传输功率和效率基本保持不变,从而证明了所提方法的可行性。     

基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)因其具有在中长距离传输较大电能的优势,获得较高的潜在应用价值.针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统,首先分析其传输效率,得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐...     

自动导引车无线充电系统中发射线圈优化设计

为解决无线充电系统中线圈间耦合系数小、充电效率低的问题,提出一种在不同传输距离下发射线圈和接收线圈半径匹配的优化设计方法。首先建立了该无线充电系统的等效电路,推导出传输效率与互感和线圈内阻的关系;其次对平面环形线圈进行等效建模,得到了两共轴平行圆线圈间的互感公式;然后在特定接收线圈下,利用线圈间互感公式和有限元仿真得到了平均半径比与传输距离的关系,并在自动导引车的充电距离下,优化设计了发射线圈的内外半径;最后对优化前后发射线圈进行了对比实验。实验结果表明,优化后发射线圈可以明显提升系统的传输效率,从而验证了所提设计方法的正确性。     

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。     

Development of a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system for frequency splitting elimination

To eliminate frequency splitting in wireless power transfer, a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system is introduced and designed. Based on the equivalent circuit model, the transmission coefficient and the input impedance are calculated. A comparative analysis is performed between the traditional and the proposed systems. It is found that the frequency splitting is suppressed by utilizing spindle-shaped transmitting and receiving coils in the proposed system because of the larger mutual inductance between the source coil (load coil) and transmitting coil (receiving coil) and the smaller mutual inductance between the transmitting and the receiving coils in comparison with the traditional system. In the overcoupled region, the transmission coefficient of the proposed system almost remains unchanged and keeps at a high value. The input impedance is characterized with high amplitude and small argument, which is beneficial for efficient power transfer. Experimental setup is established to validate the performance of the proposed wireless power transfer system. The results indicate that the proposed system is superior to the traditional one in eliminating the frequency splitting, which is well consistent with the simulation analysis.     

无线电能传输系统三相相移控制逆变器研发

设计一种为无线电能传输系统提供高频交流电的三相相移控制逆变器。该逆变器由三相D类半桥逆变桥组成,其开关管运行于固定的切换频率下,通过调整各相半桥的驱动相位差来调节输出电压,从而实现无线电能传输系统功率的调节。对三相相移逆变器的主要性能,包括相移角与输出电压的关系、相电流、各相零电压切换状态等进行分析,并推导无线电能传输系统在使用相移控制和频率控制下的效率。开发三相的相移逆变器原型机并应用于无线电能传输系统,在两个外边长为90cm、70cm的平面矩形螺旋线圈间传输能量。实验表明当相移角从0°到120°之间调节时,在接收端10Ω电阻负载上接收到的功率从5.2kW到0变化。同时在最大输出功率时测得逆变器直流输入到接收端直流负载的DC-DC最大效率为94%。