电场耦合无线电能传输技术综述

近年来,电场耦合无线电能传输(EC-WPT)技术迅速发展,在传输功率和传输距离上有了数量级的提升.该文总结了国内外相关文献中关于EC-WPT技术的概念,简要介绍了EC-WPT系统的基本工作原理,论述了EC-WPT技术在系统建模、电场耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法、电能与信号并行传输方面有指导价值的理论研究成果,分析了EC-WPT技术在消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车、水下设备领域的应用,重点围绕单电容无线电能传输、跨越金属传能、电场耦合机构损耗模型、磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统、安全问题五个方面阐述和讨论了EC-WPT技术未来值得关注的研究方向.     

水下具有旋转耦合机构的电场耦合无线电能传输系统及参数优化方法

现有水下环境的电场耦合式无线电能传输（EC-WPT）系统耦合机构大多采用平板式,无法适用于水下旋转场合无线供电应用场景。针对以上问题,提出一种水下具有旋转耦合机构的EC-WPT系统,给出耦合机构绝缘层相对介电常数和厚度对耦合电容的影响规律和绝缘层材料及厚度的选取方法,并建立耦合机构模型;以双侧LC补偿的EC-WPT系统为例,建立该系统的等效电路模型,以系统输出功率和传输效率为优化目标,将抗偏移性作为约束条件之一,给出基于第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）的多约束多目标优化方法;通过LT-Spice仿真验证了参数优化方法的可行性和有效性;实验中搭建具有水下旋转耦合机构的EC-WPT系统样机,实现311W的功率传输,效率为87.4%,系统具有良好的抗偏移性。实验比较了水下和空气中的能量传输性能,在耦合机构及参数优化方法相同的情况下,系统在水下的输出功率比空气中高约2倍,并且在水下的抗偏移性优于空气环境。     

电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究

电磁耦合谐振式无接触电能传输系统的发射侧与接收侧同时工作于谐振状态,补偿电容的引入导致系统在不同工况下可能存在多个谐振点。控制策略选取不当,会导致负载接收功率减少、系统性能大幅下降。首先通过耦合模理论建立电磁耦合谐振系统的高阶数学模型,在此基础上深入分析模式耦合因数及品质因数对系统谐振角频率的影响,并得出不同工况下谐振角频率的变化规律。最后根据理论分析设计了盘式振荡器耦合系统进行实验。测量结果表明,实际频率分裂特性与理论推导的函数关系基本吻合,因此可为谐振式电能传输系统的设计提供参考。     

具有强抗偏移及轻量化特性的电场耦合式无人机无线电能传输系统EI北大核心CSCD

针对传统磁耦合式无人机无线电能传输系统中的接收机构体积大重量大和系统抗偏移性能差的问题,文中基于电场耦合技术提出一种具有强抗偏移及轻量化特性的无人机无线电能传输系统。首先,分析无人机这一特殊应用对象的耦合机构设计要求,在此基础上提出一种新型电场耦合机构,并从电场分布、端口模型和耦合性能3方面对其开展针对性研究。然后,基于LCLC-CL谐振补偿网络完成传能拓扑设计,并对系统进行建模分析研究。最后,搭建实验系统,从系统电能传输能力测试、抗偏移性能测试等方面验证所提出方案对无人机实施无线传能的可行性和有效性。实验结果表明,接收装置易安装重量轻,系统传输功率223.3W,整机效率80.6%,且接收极板在发射极板上方区域内任意移动时输出功率和效率基本恒定。     

电磁感应式无线电能传输系统一次电流效率优化配置

电磁感应式无线电能传输系统在包含多个接收模块时通过保持一次侧发射线圈电流恒定可以实现多个二次侧接收模块间控制的解耦.当接收模块通过DC-DC控制输出电压时,一次线圈电流可以在一定范围内灵活设定,这也带来了效率优化的空间.该文建立一次电流与电磁耦合机构效率之间的定量关系,得到效率最大的一次线圈电流最优值.基于系统参数进行不同一次线圈电流下耦合机构效率的计算.搭建无线电能传输仿真系统和实验平台,仿真系统的耦合机构效率测量结果与理论计算结果相同,实验测量的效率变化规律和最大功率点也与计算及仿真结果基本一致,从而验证了提高无线电能传输系统电磁耦合机构效率的一次线圈电流优化方法的有效性.     

基于正交DD线圈副边去耦合干扰的双负载无线电能传输系统

在双负载无线电能传输系统中，副边线圈之间的耦合干扰问题成为制约系统性能的重要因素。为此，提出一种单发射-双接收磁耦合机构，旨在解决两个副边线圈之间的耦合干扰问题，并通过原边线圈的设计实现两个负载获得相同的能量输出。在不采用屏蔽材料和控制方法的情况下，该机构仅通过线圈结构设计即可实现两个副边线圈的完全解耦。实验结果表明，采用该机构的无线电能传输系统在双负载情况下，两负载互不影响且系统能量传输效率可达88.7%。     

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。     

低速转动多负载MCR-WPT系统研究

目前，磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetic coupling resonance-wireless power transmission）的研究主要集中在单发射多负载静止和单发射单负载转动2种形式。通过对单发射低速转动多负载状态下的系统进行研究，建立单发射多负载系统并进行理论分析，使用COMSOL对静止状态下多负载接收线圈进行仿真，设置静止状态与旋转状态作对比实验，分析接收端转动对MCR-WPT系统传输效率的影响，探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明，在低速转动三负载时，系统能够保持稳定的功率输出，单个负载的传输效率可以达到23.260%，总传输效率达到69.768%，低速转动对传输效率影响较小。     

多负载远距离无线电能传输系统研究

针对一类既需多级输出又能延长传输距离的无线电能传输(WPT)场合,从磁耦合谐振基本原理出发,结合多中继结构与多负载结构的优势,设计了一种新型三线圈双负载WPT系统.该系统选用LCC-Multi-S型补偿拓扑,在传统双线圈系统中加入一级特殊的接收线圈,设计了两级接收线圈结构,推导了系统双负载恒压输出条件,实现了两级负载端的相同功率输出,同时系统WPT距离得到延长.仿真和实验验证了提出的方案的可行性.     

磁耦合谐振三线圈无线电能传输的交叉耦合效应及电抗补偿

在具有中继线圈的磁谐振耦合无线电能传输系统中,非相邻线圈的交叉耦合有可能对系统的工作状态产生扰动,这通常导致系统传输功率和效率的降低。针对单中继线圈的无线电能传输系统,从其等效电路归一化模型入手,详细分析发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合对各回路电流和系统传输功率、效率的影响。给出了交叉耦合效应是否可忽略的判定条件,并提出了一种简便的在各回路中通过附加串联电抗以补偿三线圈(发射—中继—接收)无线电能传输系统交叉耦合效应的方法,通过数值仿真计算和实验证明了该方法的可行性。     

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。     

无接触功率传输耦合机构的研究

本文利用ANSYS软件对一种新型的多线圈抛物面型无接触功率传输发射结构进行了仿真计算,并对多线圈平面型发射结构进行了比较性研究。通过对多线圈抛物面型结构在不同接收距离时耦合机构互感与耦合系数的计算,发现在功率传输过程中,频率变化对传输效率有较大影响,进而从理论上分析了产生影响的原因,并讨论了耦合机构在频率变化时自感和互感参数的变化对无功补偿电容的影响以及接收侧补偿电路的设计问题。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统中线圈谐振特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中激励线圈与发射线圈是否谐振、接收线圈与负载线圈是否谐振,建立了4种结构模型;采用电路理论,详细分析了4种结构模型下的等效阻抗,并通过Pspice仿真重点分析了在相同参数下4种模型的输出功率。仿真结果表明,激励线圈与发射线圈谐振且接收线圈与负载线圈不谐振时的结构输出功率最大,且在大负载情况下,仍具有高效率。在电源频率为13.56 MHz,发射线圈与接收线圈的距离为26.8cm,耦合系数为0.2,负载为32Ω的情况下采用此模型,输出功率达到136.25 W。     

磁场耦合无线电能传输系统最大功率要素分析

针对无线电能传输系统的功率和效率问题,在特定频率下研究了影响无线电能传输系统最大传输功率的若干要素。以磁场耦合单元为核心建立简化模型,包括发射回路、接收回路,以及两个回路之间的磁场耦合单元。分别研究发射回路电抗、接收回路电抗、互感电抗等在单独变化,或协同变化时,如何影响最大功率传输条件,最大功率值和传输效率等。研究发现,不同情况下的最大功率传输条件之间存在内在联系;在发射回路与接收回路电阻乘积较小时,松耦合谐振才能传输最大功率。此结论不依赖于阻抗补偿形式,并且对感应耦合式和磁场共振式无线电能传输系统均适用。仿真和实验结果与理论分析结果一致。     

基于空间旋转磁场的全方向无人机无线电能传输系统EI北大核心CSCD

针对传统磁耦合式无人机无线电能传输系统存在的能量发射侧与接收侧需同向对准问题,该文提出一种基于空间旋转磁场的全方向无人机无线电能传输系统。新型磁耦合装置原边采用3个共面正六边形发射线圈,控制其激励电流幅值相等、相位互差120°,可在发射线圈上方生成空间旋转磁场,提供全向能量传输通道。该磁场的主磁通在水平面内旋转,与垂直于发射线圈平面的空芯接收线圈形成有效耦合,使磁场工作区域远离无人机机身。搭建实验平台,以系统能量传递功率和效率作为评价指标,验证系统应用于无人机无线电能补给的有效性。实验结果表明,在设计区域内,接收线圈旋转任意角度时,均可实现高效传能。     

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.     

线圈非同轴时磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率优化

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈非同轴放置时系统的传输效率过低的问题,运用耦合模理论,推导出系统的效率表达式。并以此为基础,分析发射线圈与接收线圈非同轴放置时,系统传输效率的变化规律。为解决发射线圈与接收线圈之间非同轴放置时系统效率过低的问题,提出一种基于混沌优化算法的参数动态调节方法,该方法能使系统几个关键参数实现最优匹配,有效提高系统的传输效率。最后,研制了一套磁耦合谐振式无线电能传输系统装置。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。     

磁耦合谐振式无线电能传输ARM和CPLD控制研究

磁耦合谐振式无线电能传输是中距离传输技术。两个耦合电路通过电磁场传递能量,当发射回路和接收回路处于谐振状态时,谐振体之间能量交换效率最高。设计了1台谐振频率70 k Hz的实验装置,发射端以ARM和CPLD为主控芯片,接收端以ARM为主控芯片,分模块设计了控制电路,并提出了一种基于ARM的频率跟踪控制方法。实验表明,控制系统运行稳定,控制效果理想。     

基于复合拓扑的无线电能传输系统优化策略

在无线电能传输过程中,受初级发射线圈及次级接收线圈之间相对位置以及电池内阻在充电过程中随时间变化的影响,线圈之间耦合情况以及系统负载大小在电能传输过程中动态变化,导致系统偏离最优效率工作点而引起传输效率下降。针对该问题,提出基于LCL-S型拓扑的无线电能传输系统效率优化策略。首先根据电路原理对系统进行理论分析,其次,根据谐振拓扑次级输出电压和初级输入电压有效值之比与负载解耦的特点,提出线圈互感大小估算方法,并通过对负载侧Buck-Boost电路控制信号施加扰动,寻找最优效率工作点,实现系统在电池恒流-恒压充电模式下效率优化。最后基于半实物仿真平台实验验证了该方法的有效性和可行性。     

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。