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。     

基于DS-LCC拓扑抗偏移性的建模与优化

针对无线电能传输(WPT)系统中线圈偏移导致功率及效率波动问题,提出基于双边LCC(DS-LCC)拓扑WPT系统的改进模型。首先,对该模型进行传输特性分析,推导出不同横向偏移条件下线圈互感与传输特性间对应的函数式。其次,引入归一化方法并确定偏移后线圈匝数与耦合强度及线圈内阻的线性关系。在上述基础上通过对系统进行参数优化设计,实现特定横向偏移范围内系统输出功率和传输效率抗偏移性的提升。最后,搭建一台100 W的实验样机对理论分析进行验证。结果显示在0～20 cm的横向偏移范围内系统的输出功率始终高于80 W,传输效率始终高于70%。     

锥形线圈无线电能传输特性优化

锥形线圈具有平面螺旋线圈与柱形螺旋线圈的综合特性,可用于无线电能传输系统中的磁耦合机构。本文首先基于电路理论建立模型,推导出磁耦合机构参数与系统输出参数的关系;然后利用Maxwell软件,从磁感应强度与互感的角度分析与比较传统平面螺旋线圈与圆柱螺旋线圈,提出匝间距不同的两种锥形线圈,两种线圈分别使用铁氧体板及铁氧体条;最后搭建无线电能传输系统实验样机。实验与仿真结果表明,与柱形螺旋线圈相比,锥形线圈结构作为发射线圈时,接收线圈在偏移距离为0～75mm内可获得最高达85.5%的电能传输效率,最高提升4.9%;偏移距离为0～50mm内输出功率也较高,最高达264W,提升15.3%。     

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。     

电动汽车动态无线电能传输系统设计及抗偏移特性研究

在电动汽车动态无线电能传输(DWPT)系统中,耦合机构相对位置发生偏移会导致能量传输效率和传输能力受到显著影响。因此,针对耦合机构偏移对系统传输性能的影响进行研究,并设计了一种具有抗偏移能力的链式动态传输系统。为提高系统对耦合机构发生偏移动态响应能力,降低负载接收功率波动,提出一种改进式人工神经网络的控制策略。当耦合机构发生偏移时,通过控制DC/DC变换器占空比实现对输出电流的平稳控制,从而实现对输出功率的平稳控制,并通过仿真和试验验证了该系统设计和控制策略的有效性。     

基于参数优化法的输出抗偏移感应电能传输系统研究

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统的耦合机构偏移造成耦合线圈互感变化,导致输出电压偏离额定值,影响系统的可用性。为此,提出一种基于串联补偿拓扑的电路参数优化方法,来提高系统在负荷变化和耦合机构偏移情况下电压增益的平稳性。最后,搭建了实验原型机来验证该方法的有效性,结果表明:系统参数优化后,当耦合线圈偏移时互感由47.5?H变化至66.6?H,交流侧负载由15?变化至25??时,电压增益波动范围为0.52～0.64,对应波动比例为10.3%,比理论波动值高0.3%。系统效率始终高于94.2%,且最高值达95.79%。     

基于遗传算法的双边LCC拓扑IPT系统的抗偏移性能研究

针对AGV无线电能传输过程中存在的位置偏移情况,提出一种基于双边LCC拓扑的新型磁耦合结构,并基于遗传算法进行了优化设计以进一步提升IPT系统在水平方向的抗偏移性能。首先,详细推导了双边LCC拓扑的补偿网络参数和各支路的电流表达式;其次,介绍了在双极性平面绕组4D线圈的基础上增加一个正交Q线圈的新型复合磁路机构,以提高系统的抗偏移性能和传输性能;然后以SM作为优化目标,采用遗传算法对4D线圈各物理参数进行迭代优化,进一步提升系统的性能;最后,搭建实验样机对该新型磁耦合结构进行了验证,实验结果表明：正对时新型磁耦合结构传输功率为300 W,传输效率为87.12%;接收线圈在水平向偏移百分比δ<20%的范围内输出功率最大波动率小于48%,并保持传输效率始终高于80%,满足实际的需求。     

高抗偏移集成LCC-S型无线电能传输系统研究

为了进一步提高LCC-S型无线电能传输(WPT)系统的抗偏移性能,设计了一种高抗偏移集成LCC-S型的WPT系统。首先,通过对集成LCC-S型电路进行分析,得出集成LCC-S型电路内3个耦合系数与电压增益的关系。其次,在Ansys Maxwell软件上对所选耦合机构进行仿真,初步证明了集成LCC-S型具有优越的抗偏移特性。最后,搭建了一台150 W的实验样机,实验结果证明了集成LCC-S型系统能够在偏移较大范围内实现恒压输出,证明了系统抗偏移特性的有效性。     

电场耦合电能传输系统层叠式耦合机构漏电场抑制方法

随着电场耦合电能传输(ECPT)系统功率和传输距离的提高,系统耦合机构极板上的电压也会不断增大,给周围环境带来漏电场辐射问题。针对耦合机构漏电场抑制问题,文中提出了一种新型的层叠式耦合机构。在对新型层叠式耦合机构进行建模分析的基础上,以双侧LC补偿网络的ECPT系统为例,推导了极板电压的计算表达式。对耦合机构外侧极板电压的主要影响因素进行分析,提出了一种以抑制系统漏电场为目标并兼顾系统传输性能的系统参数设计方法。通过仿真,验证了所提出的耦合机构及参数设计方法对漏电场抑制的可行性和有效性。     

基于混合补偿网络和双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统研究

感应式无线电能传输(inductive wireless power transfer, IPT)不可避免地受到磁耦合机构偏移的影响。在磁耦合机构发生偏移时,为了使无线电能传输系统仍能具有一定的恒流输出能力,提出一种基于双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统。首先,将LCC-LCC 和LC-LC补偿网络进行输入串联和输出串联,组成双边LCC-LC串联混合补偿网络,并研究其传输特性。其次,设计了一种与满足混合补偿网络要求的双层正交DD(double-layer quadrature DD, DQDD)磁耦合机构,该机构在x、y方向发生偏移时,能实现线圈间的解耦。接着,提出一种系统参数配置方法,通过参数配置可以在磁耦合机构发生一定的偏移时,实现输出电流在开环状态下保持稳定。最后,通过搭建实验平台,验证了以上理论分析的正确性和可行性。     

基于D.D.D.型松耦合变压器的无线电能传输系统研究

无线电能传输（WPT）技术克服了传统有线输电过程对输电场地条件、维护便利性以及安全性的严苛要求，具有广泛的应用场景。在WPT技术中，原副边线圈间的抗偏移特性直接影响着系统电能传输的质量、效率及可靠性。通过对松耦合变压器进行优化，设计相对应的补偿网络以增强系统的抗偏移特性及输出稳定性。所设计的D.D.D.型松耦合变压器具有较强的抗偏移能力，并且具有良好的磁屏蔽特性。在传统变压器等效模型基础上，考虑漏磁通的影响，提出了对称型并串联/串并联补偿拓扑结构。通过调频控制，维持系统输入阻抗角为零，实现系统高效稳定的输出。最后，为了验证理论分析，搭建了基于D.D.D.型松耦合变压器的250 W实验平台，系统效率达到了88%。     

磁谐振LED供电系统的传输特性分析

针对无线电能传输系统中输出功率和传输效率问题,以近场磁谐振耦合LED无线供电系统为对象,利用耦合模式理论(CMT)建模方法对系统的输出功率和传输效率等传输特性进行优化分析。通过CMT构建出无线电能传输网络的等效耦合模型,导出输出功率与耦合系数、传输效率与耦合系数间的量化关系式,进而确定出系统的最大输出功率表达式。最后,结合磁谐振LED供电系统实验结果,验证了所构建耦合模型的有效性和理论分析的正确性,初步论证了磁谐振无线电能传输的工程潜在应用可行性。     

三线圈无线电能传输系统恒压输出研究

针对自动引导车(AGV)无线电能传输(WPT)系统中磁耦合机构偏移影响输出电压稳定的问题,在输出并联型LCC/Multi-S的基础上提出了一种新型三线圈结构的WPT系统。该系统采用一种新型类中国结(CK)线圈结构和DDQ线圈作为磁耦合机构,通过合理参数配置,不仅实现了与负载无关的恒压(CV)输出,并且实现了X方向、Y方向以及XY方向同时偏移时的CV输出。利用COMSOL有限元仿真工具对该磁耦合机构的互感特性进行了仿真分析,从理论上证明了系统在线圈偏移的工况下能够实现CV输出;最后,搭建了试验平台验证了理论分析的正确性和可行性。     

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.     

计及信号与电能同步传输影响的ICPT系统谐振参数优化方法

针对信号与电能同步传输的感应耦合电能传输(ICPT)系统中信号耦合线圈对电能传输效率影响的问题,基于LCLP型ICPT系统谐振拓扑结构,利用在原、副边增设耦合线圈对信号进行加载和拾取,实现了信号与电能的同步传输;通过分析原、副边电流的关系,利用耦合变压器、信号发射耦合线圈和信号接收耦合线圈的互感反射阻抗,建立了信号耦合线圈与电能传输效率之间相关联的非线性规划模型,分析了信号耦合线圈对传输效率的影响,给出了相对应的电能传输效率目标函数和约束条件,在此基础上利用自适应粒子群优化算法对谐振补偿参数进行优化,并进行了仿真验证。仿真结果表明相较于同类型信号传输方法,优化后的系统信号传输误码率有所降低,电能传输效率有所提高;波特图表明优化后的信号传输电路并未对电能传输造成较大影响,负载处谐波畸变率有所降低。     

基于S/SP补偿拓扑的强抗偏移感应式无线电能传输系统EI北大核心CSCD

针对感应式电能传输(inductive power transfer,IPT)系统偏移造成输出电压不稳定和效率低下的问题,提出一种强抗偏移的S/SP补偿IPT系统,该系统在变耦合变自感和变耦合不变自感两种情况下均能保证较小的输出电压波动和较高的传输效率。首先,基于Maxwell有限元仿真,分析罐型磁心松耦合变压器的磁通分布和磁场分布特性,总结不同方向偏移的参数变化规律。然后,提出一种提高系统抗偏移能力的S/SP补偿参数设计方法,得到相应的磁耦合机构设计准则,并结合磁仿真数据,通过数值计算方式求得系统输出波动和输入阻抗角的变化规律。最后,通过实验验证文中采用罐型磁心和新型S/SP补偿拓扑实现多方向偏移下高效率、低波动无线电能传输的可行性。在额定负载下,系统沿纵向和水平方向偏移的输出电压波动分别为2.7%和3.1%,传输效率维持在90.8%~94.3%。     

无线供电高铁列车非对称耦合机构

基于高铁列车动态负载的动态耦合基础问题,提出一种发射端为单矩形线圈,接收端为多方形线圈级联的非对称耦合机构。首先通过互感原理得到系统传输特性方程,分析不同耦合程度下的电能传输可行性。同时,建立电磁场路耦合仿真模型,获得高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性。为克服高铁列车运行过程中的振动影响,提高系统的能量传输稳定性和传输效率,提出集磁环结构对耦合机构进行优化,通过仿真分析并且搭建实验平台进行实验验证。结果表明集磁环结构能够有效收聚磁场,且系统在5cm传输距离下获得91.4%的传输效率。在接收线圈动态移动过程中,集磁环结构能够有效提高高铁列车的无线供电稳定性和工作效率,证明了高铁列车无线供电的可行性。     

基于ECPT无线传输技术的恒压输出特性传输结构

电场耦合式无线电能传输（ECPT）技术借助金属极板在高频电场中激发出的位移电流来实现无线电能的传输。在实际运用中，部分用电设备的负载可能会发生变化，但所需的电压不会发生大的改变，对此提出一种包含T型与π型CLC结构的复合谐振简化拓扑（其中T型结构用以输出稳定高频电流，π型结构用以输出稳定电压），并利用基波等效法对两种拓扑结构进行分析。最后，通过搭建一套可传输135 W电能的恒压ECPT系统进行仿真与试验，验证了所提出结构的特性。该ECPT结构具有电路结构简单、经济、可靠的优点。     

消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统

传统的三相感应式电能传输系统的磁耦合机构存在严重的交叉耦合,影响系统效率。为了消除原副边线圈之间的交叉耦合,文中分析了三相串—串拓扑电路,利用DDQ结构线圈解耦的原理,在DDQ型线圈上增加一个与原DD线圈成90°放置的DD型线圈,使不同线圈间互感均为零,由此提出并设计了一种消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统磁耦合机构。最后,搭建了一个3.3 kW的原理样机进行验证。实验表明,所设计的三相耦合机构的交叉耦合可以忽略,最高效率(直流—直流)可达95.61%,当系统偏移15%的情况下,内部的解耦被严重破坏时,系统效率发生下降,最大降低2.16%。实验结果表明该结构有效且可行,可适用于三相大功率传输。     

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。