基于LCL谐振变换器的电磁感应式非接触电能传输系统动态调压控制方法

为了解决电磁感应式非接触电能传输(ICPT)系统输出电压的可控动态调节问题,提出一种基于LCL谐振变换器的动态调压控制方法。发射端采用具有恒流输出特性的LCL谐振结构,使得流过发射端耦合线圈的电流呈现恒流特性。在接收端LCL谐振变换器输出侧并联一个用于调节电能输出的可控开关管,通过控制开关管的开关状态,实现电能的可控输出。当开关管关断时,接收端LCL谐振变换器输出电能给负载,输出电压上升;当开关管开通时,负载侧电能输出被切断,输出电压下降。通过检测输出电压,对可控开关管进行负反馈控制,可以动态调节电能输出功率,实现输出电压的动态调节。该方法只调节接收端,无需使用无线信道与发射端通信,电路结构及控制方法较为简单、易于实现,且适用于一个发射端对多个接收端无线供电。最后,搭建了2k W ICPT系统原理样机。通过实验验证了所提方法的可行性和正确性。     

基于正交式磁结构及原边功率控制的无人机无线充电系统

该文提出一种基于正交磁耦合机构的无线充电系统,采用原边功率控制策略实现中大型多旋翼无人机静态无线充电.原边采用双极性发射线圈,接收端采用空心线圈且垂直放置于发射线圈中线位置,从而形成磁场正交耦合.进行有限元仿真,测试分析耦合机构的耦合能力及容错位性能,优化发射线圈结构进而压缩磁场的空间分布,减小对云台设备的电磁影响.采用串-串(SS)补偿网络,接收端整流后直接充电,获得逆变桥移相角与充电电流、电压的关系,采用原边功率闭环控制实现对无人机精确的恒流/恒压闭环充电.搭建实验样机,结果表明系统可有效传输500W充电功率,效率为90.86％,可实现10A恒流/50V恒压闭环充电控制;接收端重130g,可便捷安装于无人机.     

互操作电动汽车无线充电系统设计方法

电动汽车无线充电的互操作性是指同一发射端可以匹配不同离地间隙、不同充电功率等级的电动汽车接收端进行安全高效的无线充电。国家标准对电动汽车无线充电的互操作性给出了解释和示范,但如何在不同间隙级别、不同功率等级和不同偏移位置下均实现最优的功率传输效率,是互操作设计的一个难题。针对双边LCC电动汽车无线充电系统,以电动汽车无线充电系统标准GB/T38755.1为参考,提出一个满足工程应用需求的互操作无线充电系统优化设计方法。在满足电感量要求下,优化发射线圈表面磁场辐射的均匀度,以效率为目标优化不同间隙与不同功率等级的接收线圈及其补偿参数。制作了一个满足互操作性的11 kW发射线圈与9个不同充电气隙和功率等级的接收线圈,对设计方法进行了实验验证。     

多发射端无线充电网络的电压控制策略

针对多发射端无线充电网络的电源管理问题,提出适用于任意数量发射端和接收负载的电压控制策略,使给定充电区域中任意位置的负载有最佳充电效率.首先建立磁耦合谐振式 MIMOＧWPT系统的等效电路模型并推导功率方程,再结合电路和发射功率约束建立以发射电压为优化变量的接收功率最大化模型,借助复数分解、搜索迭代、凸优化处理等方法求解得到最优电压激励,最后以０．４８m×０．４８m 区域内的四发射端网络为例,利用 HFSS和 MATＧLAB软件联合仿真验证策略的有效性.仿真结果表明,该策略可使位于任意子区域的负载充电效率均保持在５０％以上,显著降低了接收端位置偏移对传输性能的影响,同时适用于多负载充电场合。     

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。     

基于双LCL谐振补偿的电动汽车无线充电系统特性分析与实验验证

针对满足电动汽车车载无线充电要求的双LCL谐振补偿网络进行研究与分析。首先分析电动汽车无线充电的电磁耦合关系及4种基本谐振补偿网络特性;然后基于双LCL谐振补偿的工作特性,探讨分析在电动汽车无线充电发射端与接收端发生横向及纵向相对偏移时的工作特性;最后通过Ansoft,针对圆盘型电磁耦合结构进行三维有限元仿真,并搭建一个5.5 k W的双LCL谐振补偿实验系统,对在纵向距离200 mm(最大横向偏移120 mm)和无横向偏移(纵向距离150~250 mm)时的工作特性进行验证。该系统在纵向距离200 mm(无横向偏移)时,最大功率传输能力为5.5 k W,同时达到最大效率点95.37%。     

基于微控制器的自适应电动自行车充电器的设计

电动自行车蓄电池的额定电压主要有36V和48V两种,针对这两种设计并实现了一种自适应电动自行车充电器,解决了一种充电器只能对一种额定电压的蓄电池进行充电的问题。根据蓄电池的当前状态,设计了优化的充电过程,对蓄电池的寿命和保护能起到很好的作用。实验表明充电器能很好地实现对上述两种额定电压的蓄电池充电。     

面向智能终端的无线电源系统设计与实现研究

无线电源是面向不易更换电池的恶劣环境下工作的移动终端开发的无线充电系统。发射端通过LC电路将交变电能以130 k Hz的电磁波方式传输到接收端的LC电路上再转化为直流电给电池充电。本系统利用安培定律电生磁原理和电磁感应定律的磁生电原理在发射线圈和接收线圈间生成电磁耦合区免除电路直接接触而实现电能无线传输。系统传能过程中发射端和接收端通过电磁波信号实现实时双向通信,通过分析不同负载的阻抗引起的电磁波变化情况而调整相应的工作状态。本系统研究旨在提高无线电源系统的充电效率和高效的智能检测功能。实验证明,本系统已实现对电子设备高效率无线快速和慢速充电,并能对无线电源系统作出高效的智能检测。电路优化设计后接收机可方便地植入电子设备中,在物联网环境下本系统有广泛的工程应用。     

无线充电系统发射和接收线圈优化

发射线圈和接收线圈是无线充电系统中的关键组成部分,二者的尺寸以及两线圈间的距离影响着系统的传输功率及效率,但对于两个线圈尺寸的最优匹配问题还未有系统的设计方法。针对此,以圆形发射和接收线圈为例,推导两线圈间的互感公式,用Mathcad绘制两线圈间互感随两线圈的径径比、接收线圈与传输距离间径距比变化的曲线,不同径距比下互感随发射线圈宽度变化的曲线,以及互感随发射线圈内外径变化的曲线。根据以上曲线得出两线圈的最优匹配尺寸,并以此进行了3组线圈匹配优化实验,分别绘制出输出电压和系统效率随传输距离的变化曲线。相关实验验证了所提优化方法的可行性。     

LC移相补偿在无线传能系统性能提升中的应用

为提高无线电能传输系统中电能传递的功率和传递的效率,文中对LC谐振式无线传能电路中采用移相控制技术后的能量传输情况做了研究。简单介绍了LC移相补偿的原理,在Simulink平台下仿真了移相控制下发射端和接收端之间的耦合磁场随移相角的变化情况,并通过实验测量了不同移相角下的电压、电流参数。由仿真和实验结果可知当在区间0-π⁄2时,增加移相角度,接收端功率增加;当移相角度为π⁄2时,接收端功率达到最大,在区间π⁄2-π时,增加移相角度,接收端功率减小;当移相角度为π时,接收端功率降为最低。综上可知移相控制在无线传能系统中可以提升其传输功率。     

寻轨机器人用无线充电系统的研究

传统寻轨机器人的动力电池采用接触式充电方式,充电时容易因机械接触磨损而导致接触不良。为解决该问题,研究了一种单管感应耦合电能传输ICPT（inductively coupled power transfer）无线充电系统。该系统由前后两级电路组成,前级采用单管ICPT系统进行非接触电能传输,后级采用充电管理芯片LTC4020控制的Buck-Boost电路对锂电池进行快速充电。介绍了所研究寻轨机器人无线充电系统结构及原理,对前级主电路进行了四阶段电路等效、工作过程分析、电路建模、补偿网络设计和软开关设计;对后级充电管理电路进行分析和设计。设计了一台样机,对前级电路开关管耐压、流过电流和输出电压进行了仿真和实验,并通过充电实验验证了所研究充电方案的正确性。     

基于跳频控制策略的串联-串联谐振无线电能传输系统的参数优化设计方法

无线电能传输是一种方便、安全的电能传输方式。以实现蓄电池快速无线充电的串联-串联(SS)型谐振无线电能传输系统为研究对象,设计蓄电池三段式充电曲线,提出一种与之相对应的分段跳频控制策略。根据蓄电池充电曲线特征、SS谐振网络的恒压恒流特性和分段跳频控制策略,提出一种适用于蓄电池全范围充电的谐振网络参数优化设计的方法,为无线电能传输系统参数的优化设计提供了理论依据。搭建SS谐振无线电能传输装置,验证了参数选择的合理性和控制策略的有效性。在一次、二次侧之间距离12.5cm下,该装置实现了蓄电池的全范围三段式充电,并且整机效率最优达到93.5%。     

自激推挽式无线电能传输系统研究

基于对推挽式自激振荡电路原理的详细分析,通过研究发射线圈电压电流的特性,建立了系统的电路等效模型,并采用理论计算和仿真分析验证了系统的性能。同时将自激推挽式无线电能传输系统应用于传感器节点的锂电池变距离无线充电中。最后搭建两线圈系统验证了自激推挽式无线电能传输系统具有频率自适应的能力;在一定范围内变耦合系数时能够输出稳定的功率并保持稳定的效率。当线圈间轴向距离在1-4cm变化时,自激推挽式无线充电系统可为锂电池提供500mA的稳定充电电流。     

电动汽车动力锂电池LCL型无线充电技术

为了满足电动汽车动力锂电池的充电需求,文中提出基于MERS(Magnetic Energy Recovery Switch,磁能再生开关)的LCL谐振型无线电能传输系统。该系统仅通过改变副边MERS的导通角,即可实现三种工作模式:恒流输出模式、恒压输出模式和最大功率输出模式。文中提出了系统模型,分析了LCL谐振型ICPT系统满足恒压、恒流、最大功率输出三种工作状态的条件;研究并建立了MERS的数学模型;搭建了Simulink仿真模型,仿真结果表明,本系统仅通过控制副边MERS的导通角α一个参数,可以实现电动汽车动力锂电池“先恒流后恒压”的充电需求,也可以实现当系统互感系数变化时系统维持在最佳工作点,而无需改变其他系统网络参数。该方案对改进电动汽车无线充电系统有一定的参考价值。     

基于恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统

感应式电能传输技术IPT(inductive power transfer)应用到电动汽车中具有许多独特的优点。由于IPT变换器输出特性复杂,与变压器参数、补偿参数、工作频率和负载均有关,而电池在整个充电过程中负载变化范围宽,故IPT变换器难以直接提供负载电池所需的充电电流或电压。针对此问题,根据4种基本的IPT补偿结构的输入和输出特性,找到可同时实现输入纯阻性和输出恒流或恒压的拓扑结构及工作条件,从而解耦负载对输出的影响,消除无功功率。但单个拓扑无法满足电池先恒流后恒压的充电特性,因此进一步提出了一类复合拓扑结构,采用最少的器件实现恒流拓扑和恒压拓扑的切换,电路简单可靠,传输效率高。     

电动汽车无线充电混合补偿拓扑电路分析

无线电能传输补偿方式直接影响输出电流、电压的增益特性,提出一种混合补偿拓扑电路,解决负载动态变化时输出电流、电压不稳定的问题,可应用于电动汽车恒流恒压无线充电电路。对拓扑电路原副边线圈建立等效松耦合变压器T模型,分析得出等效负载动态变化时可以实现恒流恒压输出的特性。构建仿真模型和试验台架,仿真验证电路分析的正确性。实验验证了在串/并补偿拓扑下副边稳流输出且原边逆变电流滞后电压,在串/串并补偿拓扑下副边稳压输出且原边逆变电流与电压同相。     

基于多绕组变压器的高压无线充电自由定位系统

针对电动车辆无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统存在的半导体性能有限和定位困难的问题,提出了一种多对一高压无线充电自由定位系统。该系统采用逆变器串联输入的设计来适应高压应用场景,同时利用多绕组变压器实现逆变器的等效并联输出和向多路发射回路传输电能的功能,并采用了多对一的设计以扩大电动车的定位范围以实现无线充电的自由定位功能。为分析多绕组变压器的工作机理和研究多对一拓扑的能量传输特性,进行了等效电路分析和MATLAB仿真,并制作实验室原型样机进行了实验验证。基于实验和仿真结果,提出了一种基于多对一WPT拓扑的混合工作模式,可以有效地扩大电动车辆无线充电时的定位范围。研究和分析表明,文中所提出的拓扑结构可以有效地提高系统的输入电压以应用于高压场景,并能有效扩大电动车辆无线充电时的定位范围以实现自由定位。     

单管逆变器并联的电动汽车无线充电变换器

目前单管逆变无线电能传输电路由于结构的特殊性无法进行直接并联实现千瓦级别输出。针对此问题,在不需要特殊磁耦合器的情况下,提出了一种用于单管逆变器的双重并联结构。所提恒压补偿网络通过引入辅助谐振LC使得逆变器可正常运行,实现单线圈并联;应用增流LC网络,将电压源并联转换为电流源并联,增加电流输入能力的同时,使输出电压具有更高的自由度。为验证所提拓扑的可行性且模拟为电动汽车144 V电池包充电,设计了一台输出164 V/1.3 kW的实验样机,最大效率可达90.2%。     

考虑功率最大输出与储能协调的光储VSG控制策略

在传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)控制的光储系统中,电池通过频繁充放电处理波动的光伏功率,易出现早衰问题。为优化电池运行,提出一种考虑功率最大输出与储能协调的光储VSG控制策略。首先,建立输出频率与直流侧电容电压偏差的比例关系,实现光伏功率的最大输出与VSG的惯性支撑。其次,利用下垂特性控制电池功率输出,在实现系统一次调频功能的基础上提升电池能量管理的灵活度。然后,设计一种稳定直流侧电压的分段控制方案,确保系统正常工作时直流侧电压在合理范围之内。最后,通过仿真实验验证所提方法不仅保留了VSG的惯性支撑和一次调频功能,还实现了光伏功率的最大输出,减少了对电池的依赖。     

电动汽车无线充电系统的输出功率动态解耦控制

电动汽车无线充电系统动态充电能显著减小电动汽车动力电池的质量与尺寸,但由于动态系统中汽车运行状态会实时改变,因此电池在不同状态下的最优系统输出功率需求不同。系统在非最优输出功率下工作会影响其高效性及可靠性。文中提出电动汽车无线充电系统的输出功率动态解耦控制方法,根据整流电路的动态解耦机理对系统影响较小的特性,保证高效快速调节输出功率。建立了动态解耦控制系统数学模型,得到控制方案的计算因子,通过计算因子实现解耦占空比对输出功率的控制。仿真和实验结果表明,此种动态解耦控制克服了一般调节方式调节慢和效率低的缺点,实现了在动态充电过程中高效快速调节输出功率,优化系统性能。