基于STM32频率跟踪控制的无线电能传输系统设计

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中,当传输线圈偏移和负载发生变化时,会改变系统的谐振频率点,导致系统工作在失谐状态,传输效率大幅度下降。针对该问题,设计了一种基于STM32频率跟踪控制的无线电能传输系统。首先从原理上对串-串(SS)型系统的失谐进行了分析,得到高频逆变器输出电压和电流的相位角与谐振频率的关系;然后通过实时监测发射线圈电流和高频逆变器输出电压,并在控制器中计算其相位差,再根据相位角与谐振频率的关系对系统的工作频率进行实时连续调节,使系统重新恢复谐振;最后选用STM32F407作为主控芯片,搭建了SS型无线电能传输系统进行实验验证。实验结果表明,该方案可以实现系统频率的实时调节,保证系统重新达到谐振状态,提高了系统的传输效率。     

频率匹配对谐振无线电能传输效率的影响

基于共振耦合式无线电能传输机理和数学模型,对无线电能传输发送端与接收端谐振频率的测量与调整进行了研究,结合Matlab仿真和实际实验操作,研究了在固定距离下两线圈组成的系统电能传输效率与工作频率的关系,研究并比较在不同耦合系数k值条件下两端谐振点频率未匹配和匹配情况下电能传输效率.研究表明不同k值情况下电能传输效率与工作频率的关系曲线存在差异,在相同的k值条件下两端谐振点频率匹配时比两端谐振点频率不匹配时表现出更高的电能传输效率.对于远距离电能传输,即在k值较小的情况下,调节两端谐振点至频率匹配时将有效提高传输效率.     

植入式集成磁耦合谐振无线电能传输分析

将植入式应用时无线电能传输的接收线圈与整流电路及其他功能电路集成在单芯片上,不仅可以满足植入式应用更小空间的要求,而且可以进一步提高可靠性和安全性。该文基于此应用,对磁耦合谐振无线电能传输系统建立了完整和简化的电路理论模型,分析结果显示,磁耦合谐振方式比传统的电感耦合方式具有更高的传输效率。     

双发射结构磁谐振式无线电能传输系统传输特性研究

基于电路理论,建立了双发射结构磁谐振式无线电能传输（WPT）系统的等效互感模型。与单发射结构相比,双发射结构可以提高负载接收功率和传输效率,而且随着发射线圈与接收线圈之间耦合系数的降低,双发射结构的优势更加明显。结合数值仿真试验,对比得出当两种结构的接收线圈发生横向偏移与角度偏转时,负载功率和传输效率的比值分别可达2.8和1.39以上,验证了理论分析的正确性。最后,进一步分析了两种结构在欠耦合、临界耦合、过耦合3种区域的传输效率,发现双发射结构可以增加系统的纵向传输距离,且在临界耦合区域内可以有效扩大系统的横向传输范围。     

中继模式无线电能传输系统

针对三线圈中继模式的磁耦合无线电能传输系统进行了研究,根据经典电路理论建立了传输系统的数学模型。研究了影响系统输出功率以及电能传输效率的因素。实验表明:负载上获得的功率和系统的电能传输效率会随着谐振频率的升高而增大,但并非纯粹的线性关系;同时,负载电阻与电能传输效率之间存在最佳工作点,这也验证了模型的正确性。     

无线电能传输系统驱动源负载网络分析

为了提高无线电能传输高频时的高效传输能力,结合谐振式无线电能传输系统基本结构,采用单管E类功率放大器作为系统驱动源,对驱动源的负载阻抗特性及影响负载网络的因素进行了分析;提出了针对无线传能系统的E类功率放大器负载网络参数调节方法;在软开关条件下计算了负载网络最佳匹配参数;通过调整开关管占空比的方式验证负载网络变化对软开关状态及系统效率的影响.结果表明,通过驱动源样机的制作以及负载网络参数调整测试,实现了在1 MHz频率下78 W功率的输出,系统效率达到76.5%.     

一种非接触式电能传输系统设计

提出一种基于电磁感应的非接触式电能传输系统。通过建立松耦合式变压器理论模型,推导电能传输效率的表达式,并选取最佳耦合系数,确定磁芯及线圈结构。采用单片机控制场效应管驱动发射线圈,设计发射电路、功放电路、电流电压检测电路、整流以及滤波电路等外围电路,并给出系统软件设计方法。将该系统的发射和接收线圈保持LC谐振状态,提升其无线电能传输效率。测试结果表明,该系统最大传输效率可达到65%。     

基于双激励双拾取的无线电能传输系统

传统的无线电能传输系统（WPT）多由单个激励线圈与单个拾取线圈组成,由于系统的耦合机构多为松散的耦合形式,且受到功率器件容量的限制,因此难以获得较大的传输功率。为了提高WPT系统的传输功率,该文构建了双激励双拾取线圈的无线电能传输系统,在原WPT系统的基础上,增加了一组激励线圈和一组拾取线圈,利用耦合理论和电路原理的相关知识对该系统进行分析。通过Matlab仿真及实验验证了该方案的可靠性和有效性,并在负载为5 Ω时,双激励双拾取线圈的WPT系统相比较于WPT系统,其功率提升了3.1倍,效率提高了9%。     

并联多逆变器驱动的大功率无线电能传输系统研发

采用多逆变器并联拓扑能够解决单个逆变器输出功率不足的问题,满足大功率无线电能传输的需要。但多个逆变器输出电压之间的不同步会产生较大的环流,降低系统整体效率甚至造成逆变器损坏。为此,设计了一种采用并联多逆变器驱动的大功率无线电能传输系统,重点对多逆变器的相角一致性问题进行了研究。以其中一个逆变器作为主单元,其开关管的方波驱动信号同时传输给从逆变器,以提供切换频率和参考相位。从逆变器采用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)测量接收到驱动信号的频率和参考相位,并在补偿驱动信号的传输时延后输出给开关管,以实现多逆变器的同频同相运行。研制了3个逆变器并联的实验室样机,实现了16.65 kW、93.5%效率的无线电能传输。     

平板磁芯磁耦合谐振式无线电能传输技术

为了增加磁耦合谐振式无线电能传输系统中发射／接收线圈的自感量以及二者间的耦合系数,提高系统的传输功率和效率,提出利用高磁导率平板磁芯绕制发射／接收线圈的方案.对传输系统进行耦合电路建模,通过电路微分方程给出传输系统相关参数的数学表达式,设计并优化了系统实验平台,研究了加入平板磁芯后系统耦合系数的变化,工作频率对传输的影响,发射与接收的移位传输以及系统的功率传输特性.实现了距离10 cm以上,功率1.85 kW的无线电能传输,系统整体传输效率达到80％以上.平板磁芯耦合机构体积小,在较大水平移位（25％）情况下实现了稳定高效传输.     

水下无线电能传输研究进展

首先对水下无线电能传输技术进行了分类,然后给出了磁感应式水下无线电能传输的基本结构和工作原理,讨论了该技术的最优工作频率、传输距离、线圈结构选择、涡流损耗与频率分裂现象.随后简要给出了磁谐振式水下无线电能传输技术和电场耦合式水下无线电能传输的研究现状.最后对水下无线电能传输技术有待研究的问题进行了展望.     

基于LCL-S的恒压恒流切换无线电能传输系统

根据锂电池的充电特性对耦合线圈及补偿电路进行研究,提出基于LCL-S的无线充电拓扑结构,在发射侧采用一个交流开关来实现拓扑切换.此拓扑结构的优点是,在固定频率下操作,只需控制开关通断就能同时实现与负载无关的恒流和恒压输出,而且发射线圈和接收线圈之间没有任何通信连接,缩小了系统的整体体积,降低了控制系统的复杂度.     

磁谐振式无线电能传输频率特性数值研究

针对磁耦合共振式非接触电力传输的共振特性,采用电磁仿真软件,在10-25 MHz 频段计算垂直螺旋线圈的散射参数,得到无线电力传输系统模型和单个线圈的谐振频率,发现谐振频率出现明显的偏移。根据无线电力传输的近场区特性,垂直的螺旋线圈可看作偶极子天线。运用偶极子对相互作用理论,定性分析了耦合线圈之间的相互作用对谐振频率的影响,对磁耦合共振技术的谐振频率分析具有一定的理论指导意义。     

磁耦合谐振式无线电能传输效率影响因素分析

对磁耦合谐振式无线电能传输系统模型进行分析,采用电路理论得出系统传输效率的表达式。通过MATLAB仿真得出系统传输效率随系统频率、负载、传输距离和谐振线圈参数变化的规律,得出磁耦合谐振式无线电能传输系统对系统频率、负载、传输距离、线圈半径、线圈匝数有最优值的结论,为提高无线电能传输效率提供了参考和借鉴。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统的无模型自适应控制研究

为解决磁耦合谐振式无线电能传输（magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT）系统因频率失谐而使得传输效率降低的问题,提出一种无模型自适应频率跟踪方法。该方法以发射端电流和电压间的相位差值为控制器输入,以控制器输出来调控发射端的交流电源频率;控制器设计不依赖于系统的精确数学模型,而且可通过伪雅可比矩阵的自适应估计律来提高应对发射端频率失谐的控制自适应性。MCRWPT系统的控制仿真结果表明,相比传统的PI控制,该方法不仅在较长的无线传输距离情况下能实现维持系统发射端的谐振工作状态,而且具有更好的谐振频率跟踪性能,对保持较高的系统无线电能传输效率具有明显优势。     

改进发射端的磁耦合谐振式无线电能传输系统

为提高磁耦合谐振式无线充电系统的传输效率,提出了改进发射端的无线电能传输模型并建立了无线电能传输系统电路模型,讨论了输出功率与传输效率与线圈耦合系数和负载电阻的关系。在线圈谐振状态下,为得到最佳传输效率,研究了耦合系数与负载电阻的取值要求。最后,通过搭建实验平台,验证了系统在谐振状态下,激励线圈与发射线圈的耦合系数为0.8,发射线圈与负载线圈的耦合系数为0.157,负载电阻为150Ω时,传输效率能达到97.3%。     

一种用于无线电能传输系统的有源中继结构设计与分析

中继线圈能有效增大磁耦合谐振式无线电能传输(MRC-WPT)系统的传输距离,但由于其自身的功率损耗,导致系统总损耗增加,传输功率下降。提出了一种有源中继结构,通过向中继线圈赋能,扩大了发射线圈的能量辐射范围,在显著增大系统传输距离的同时增大了系统的传输功率,保证了输出功率恒定。与多发射线圈系统相比,有源中继系统不需要考虑发射线圈之间的交叉耦合影响,分析及设计更加方便;与传统无源中继系统相比,有源中继系统的最大传输功率高于对应的无源中继系统;与对应的无中继系统相比,在增加传输距离的同时,有源中继系统的最大传输功率能保持与无中继系统相同。仿真结果与理论分析结果一致。     

碳纤维软磁复合材料在无线电能传输电磁耦合机构中的应用

为解决电动汽车无线充电应用中电磁耦合机构长时间工作中铁氧体受振易碎、电磁耦合机构体积和质量大的问题,利用碳纤维屏蔽电磁波和吸能减振的特性,将碳纤维软磁复合材料作为导磁材料,分别建立了基于铁氧体和碳纤维软磁复合材料的仿真模型,设计并制作出碳纤维软磁复合材料,建立无线电能传输测试平台进行实验验证。结果表明：整块铁氧体的电场和磁场屏蔽最大数值分别为0.29 V/m和1.23×10^-3mT;碳纤维软磁复合材料的电场和磁场屏蔽最大数值分别为0.22 V/m和0.79×10^-3mT,铁氧体外侧加入两层碳纤维编织结构制成屏蔽材料,其磁场和电场屏蔽效果均优于铁氧体。