月球探测激光传能系统仿真软件设计

根据月球探测对激光无线能量传输的应用需求,提出了月球轨道和月面科研站激光传能两种应用模式,进行了激光无线能量传输仿真软件的需求分析,搭建了激光传能仿真软件架构,进行了全链路激光传能系统建模和仿真软件设计。另外,以月球极区永久阴影区探测为应用背景,进行了1km距离、300 W电功率的激光传能系统仿真,并依据仿真结果进行了月面激光传能系统设计。该仿真软件的设计开发,可以为激光传能系统的设计提供理论依据和设计参考。     

月球科研站建设初期的能源系统设计

随着中俄关于合作建设国际月球科研站谅解备忘录的签署,月球科研站的建设已被正式提上日程。针对月球科研站建设初期,月面支持设备少,可靠性要求高,需具备后期扩展能力等任务特点,从母线体制设计、供电系统设计及配电系统设计出发,提出了一种双母线体制下基本构架一致,独有功能选配的能源系统设计方案,可适用于构建科研站基本型的所有航天器。同时对方案中需要突破的可靠性提升及关键性能提升这两大类技术进行分析,给出未来的研究方向,为后续月球科研站基本型建设过程中能源系统研究和设计提供了参考。     

多耦合线圈的磁耦合谐振无线电能传输系统

基于耦合电感理论建立了4线圈磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WRT)系统的电路模型,根据该模型推导出耦合系数、能量传输距离和能量传输效率之间的数学关系。针对4线圈MCR-WRT系统能量传输效率随传输距离变化而变化的现象,提出利用开关切换不同半径谐振器耦合线圈来匹配不同传输距离的方法。为验证该方法的有效性,进行了电磁仿真、电路仿真和实验分析。结果表明,采用这种方法有效地提高了系统在不同传输距离下的能量传输效率。     

无线传能机车人体电磁环境安全研究

随着无线电能传输技术在铁路系统的应用,电磁安全问题引起越来越多人的关注。为了有效评估乘客及司机在无线传能机车内的电磁安全问题,该文利用三维电磁仿真软件构建无线传能系统辐射下车内人员电磁环境模型,研究处于车厢内不同位置的司机和三名乘客（乘客A、乘客B、小孩）暴露的磁场强度、电场强度和电流密度的分布情况。结果表明：位于司机室的司机感应电场强度最小,其感应电场强度值为2×10^-5V/m;乘客A感应电场强度为最大,其最大值达到0.55V/m;乘客B所处的车厢连接风挡处磁场强度最大,其最大值为2.78A/m;感应电流密度最大值出现在乘客B的腹部位置,其最大值为13.7μA/m²。所有计算结果均低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）导则的电磁场限值,说明位于车内的司机和乘客都是安全的。最后通过现场测试得到的数据与数值计算结果对比,结果较为吻合,进一步验证了仿真的正确性。     

多目标无线电能传输系统线圈综合设计

目前,线圈设计大都是针对无线电能传输(WPT)系统中单个目标的优化设计,对于系统多目标优化的线圈设计则少有研究。针对这个问题,提出了一种给定传输距离和接收线圈外径条件下,满足输入电压要求,且兼顾系统传输效率、功率和成本的线圈综合优化方案。首先建立了WPT系统的电路模型,推导了系统传输效率和功率的表达式;在此基础上,通过COMSOL仿真,分析了传输效率与圆形线圈外径、匝数、层数和匝间距之间的关系。最后搭建了一套实验样机,在电能传输距离20 cm、输出功率400～1 000 W时,系统的传输效率高于90%,验证了线圈优化设计方案的可行性。     

基于COFDM的实时无线图传系统设计与实现

随着无线图像传输的兴起,相关传输技术也得到大力发展,但在山区、海面、密集城区等复杂无线通信环境中,WiFi、ZigBee、4G/5G等技术图传性能较差,而编码正交频分复用(COFDM)技术以其传输速率高,抗干扰能力强等特点,成为当前研究热点.为满足复杂无线通信环境下无线图传的大速率、低时延和高可靠的性能需求,缩短无线图传通信产品的设计周期,在COFDM技术的基础上,搭建了基于通用硬件外设USRP和软件无线电平台GNU Radio的COFDM无线图传系统,该系统采用Gstreamer技术对摄像头视频流进行采集与处理,实现720 P视频图像实时传输,视频传输速率4 000 Kbit/s.结果表明,该系统实现了长时间且稳定的无线视频实时传输,说明了系统设计的灵活性和方案设计的有效性.     

一种双L型抗偏移无线传能线圈及谐振网络电路

针对现有无线传能线圈普遍存在的金属环境适应性差、抗偏移能力较弱的问题,提出了一种双 L 型抗偏移无线传能线圈及谐振网络电路.基于有限元理论,利用 COMSOL电磁场仿真软件,建立了普通 8 字矩形线圈和双 L型抗偏移无线传能线圈的有限元仿真模型,并通过仿真结果验证了该线圈及电路不仅提高了无线传能机构的金属环境适应性,还在各个方向上具有良好的抗偏移性.     

单/多发射极磁谐振式无线电能传输特性研究

针对单发射极磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统的传输效率和输出功率随着距离增加和频率分裂急剧衰减的问题,采用多发射极可以有效地提高系统的传输效率和输出功率。首先根据等效电路理论推导出单/多发射极MCR-WPT系统的传输效率和输出功率的表达式,其次详细分析了各个参数对传输效率和输出功率的影响,经数值仿真和电路仿真可知,当系统在最佳工作状态时,多发射极系统比单发射极系统在传输效率和输出功率上都有显著提高;系统传输达到最大输出功率和最大传输效率对应的最佳负载阻值不相等;输入电压相位差导致传输性能降低;适当的控制耦合系数以避免近距离传输的频率分裂。最后搭建MCR-WPT系统对上述分析进行验证。     

基于多应力条件的激光供能系统寿命预估

搭建激光供能系统,通过光纤进行高电位和低电位数据通信和能量传输,具有良好的抗干扰能力和稳定性.最近,在多应力条件下半导体器件老化问题受到较大关注.单应力法在设计阶段和老化研究中相对简单,但不适合多应力的实际工作条件.现有的多应力老化研究大多基于电子元器件,并未研究整个系统的可靠性.基于Arrhe-nius模型、逆幂率模型及尼尔森的广义对数线性模型建立激光供能系统的多应力寿命预估模型,该模型根据不同的温度应力和电压应力,得到实际的可靠度曲线,预估出整个激光供能系统的可靠度,根据可靠度来确定系统的零件更换时间,完成零件的及时更换,确保长期高效的工作,避免由零部件损坏带来的突发状况.     

具有低漏磁通干扰及全方位传能特性的无人机无线充电系统

针对传统无人机无线充电系统漏磁通干扰强以及抗位置和角度偏移性能差的问题,提出一种具有低漏磁通干扰及全方位传能特性的无人机无线充电系统。发射机构由三相螺线管线圈组成,接收机构缠绕在无人机起落架上。首先,通过COMSOL仿真对比分析提出的三相螺线管线圈与传统圆形线圈在无人机机身处产生的磁场强度,从三相螺线管线圈主要产生水平磁场分布及圆形线圈主要产生竖直磁场分布的角度揭示漏磁通干扰抑制原理;然后,分析三相螺线管线圈在120°激励电流相位差下的磁场分布特性,从旋转磁场的角度揭示全方位无线传能机制;随后,构建基于三相半桥逆变及LCC-S谐振补偿网络的系统电路模型,推导系统输出功率与等效互感的关系;最后,搭建实验装置以验证提出的系统具有低漏磁通干扰及全方位传能特性。     

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....     

基于LPCT的激光供能电子式电流互感器

介绍的基于铁心、线圈式低功率电流互感器(LPCT)的激光供能高压电子式电流互感器,克服了空心线圈测量精度易受温度和制作工艺影响的缺点.首先描述了LPCT的测量原理和互感器的结构.互感器的一次转换器能够提供两路传感器数据通道,并且具有温度补偿和高压侧采集通道自校正功能,在较宽温度、较大电流范围内保证了极高的测量精度;二次转换器具有数字和模拟接口,可以接受数据并发送命令控制一次转换器,包括同步和校正命令在内的数据信号可以通过同一根供能光纤传送到一次转换器.互感器还提供一些在线监测功能,这种预防性的维护和自检测功能能够提示维护或提出警告,提高系统的可靠性.系统测试表明:具有低功耗光纤发射驱动电路的一次转换器平均功耗在40mW以下;上行光纤中通信波特率可以达到200kb/s,下行光纤中更是高达2Mb/s;系统准确度同时满足IEC6044-8标准对0.2S级测量和5TPE级保护电子式互感器的要求.     

双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究

电动汽车双向无线电能传输系统以其便利性和互动性,可适用于未来车联网。相比单向系统,双向系统控制自由度多,不同自由度的选取和组合会影响系统中变换器和传输线圈损耗的分布及其大小,进而影响系统的整体效率。因此,如何通过多个控制自由度间的协调组合提升系统整体效率,是双向系统控制的关键性问题。该文首先分析了多个控制自由度间组合关系对变换器运行状态和线圈间传输效率的影响,推导了实现变换器优化运行和线圈间传输效率提升的约束条件。在此基础上,针对上述优化运行条件,对系统各部分损耗及整体效率进行了估算,并提出一种实现双向无线电能传输系统效率优化的多自由度组合控制策略。搭建了相应的仿真和实验平台,实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。与传统控制策略的对比结果表明,所提方法能进一步优化系统运行状态,提升整体效率。     

用于激光供能电流互感器的低功耗光电传输系统

设计了用于激光供能电流互感器的低功耗光电传输系统,系统包括上行光纤和下行光纤.上行光纤在完成向包含传感器及相关电路的一次转换器供能的同时,还可以传输控制信号.在不影响光供能稳定性的情况下,在短暂的供能中断中完成数据通信.在一次转换器中,控制信号通过在能量变换电路中增加一个比较器电路提取出来.改进的一次转换器光发射驱动电路只需要消耗数毫瓦的平均功率就可以稳定地工作,一次转换器总的功耗可控制在40 mW以内.实验结果表明,上行光纤和下行光纤中通信波特率可以分别达到200kbit/s和2 Mbit/s,完全满足电流互感器通信需要.     

多线圈无线电能传输系统效率最大化研究

感应式无线电能传输系统主要依靠耦合线圈将能量从电源端传输到负载端。多线圈的耦合特性可以用来构建多输入多输出的无线能量传输网络,目前针对此类网络的稳态特性分析仍然不具有通用性。传输效率作为系统稳态特性之一,是多线圈系统的重要优化目标。由于线圈寄生电阻使得耦合器损耗占据整体系统损耗的大部分,因此,优化系统效率的关键在于最大化耦合线圈效率。首先,建立任意耦合线圈个数的无线充电系统的电路模型,依照输入输出稳态特性分析效率最大化的影响因素以及最优效率点下的功率分配和损耗;其次,仿真验证不同输入端和不同输出端时理论分析的准确性;最后,搭建实验平台验证多发射多接收无线充电系统效率最大化点的稳态特性。     

基于多频磁负超材料的心脏起搏器无线供能研究

针对植入式心脏起搏器无线供能系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题,该文提出一种基于多频磁负超材料（MB-MNG）的心脏起搏器无线供能系统。首先,根据磁负超材料等效介质理论,推导了正八边形超材料设计的基本公式,建立了MB-MNG基元模型;其次,以S-S结构为例,通过仿真和实验研究了6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz频段下系统传输效率;再次,为了研究可靠性,讨论了系统与MB-MNG之间的错位情况;最后,为确保安全性,使用多物理场仿真软件研究系统的电磁安全特性,并进行温升实验。实验结果表明：在三工作频段下,基于MB-MNG的WPT系统的输出功率为3.29 W、2.77 W和2.87 W,与传统WPT系统和加入铁氧体薄板WPT系统对比,传输效率提高了24.6%～36.5%。同时,在系统发生偏移时,仍能保持30.73%～48.41%的传输效率;60 min充电测试内组织SAR值及最大温升均符合安全标准。     

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。     

实现效率优化的无线电能传输系统双侧多周期不对称电压激励方法

在宽功率范围内实现高效功率传输是无线电能传输系统的基本要求。为提升全功率范围下无线电能传输系统的效率,该文提出了一种双侧多周期不对称电压激励方法。该方法在一、二次侧采用一种具有多个周期的不对称激励电压波形,当系统需要降功率运行时,根据功率大小对构成多周期激励电压波形的各个半周期脉宽依次进行缩减。同时,通过调节二次侧激励电压波形相对于电流波形之间的位置关系,实现宽功率范围内的开关器件零电压开通。通过各个半周期脉宽随功率降低依次缩减的变化模式,使激励电压相位差随功率的逐渐降低而出现多次回归至峰值的非单调变化特性,平抑了宽功率范围内激励电压相位差的波动幅度而将其维持于较高值,进而实现宽功率范围内的效率提升。实验结果表明,所提方法在宽功率范围内的效率不低于传统方法的效率,在大部分功率点的效率高于传统方法的效率。所提多周期不对称电压激励方法无需任何额外硬件电路,可在宽功率范围内实现效率提升。