全方向无线电能传输技术研究进展

全方向无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性好、安全可靠性高、环境亲和力强等独特优势受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注。首先,对全方向无线电能传输技术应用领域和国内外的发展进行了总体的阐述;接着,对该技术电磁耦合系统的关键基础问题进行了详细的分析,主要包括电磁耦合结构的设计与优化、磁场方向控制策略和电磁兼容3个方面;最后,讨论了实现该技术工程化、产品化和商业化亟待解决的关键问题和技术难点,并对其应用前景作了进一步的展望。     

基于电容阵列的磁共振式无线电能传输系统的优化调谐

在实际运行时,由于高频电路杂散电感、电容与环境变化等因素的影响,磁共振式无线电能传输系统的传输线圈参数常会发生漂移,从而影响系统的传输效率和传输功率。首先根据系统模型的仿真分析得到发射端电流峰值与系统对称度的关系,以此设计一种优化匹配的方法和电路,使得发射端电流峰值自适应跟踪调节,使系统性能达到优化匹配。实验验证了该方法的有效性,相比于失谐状态,所提方法可以大幅度提高传输效率,同时降低了系统对杂散电感、电容、环境变化等因素的敏感性。     

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%。     

分数阶无线电能传输机理的提出及研究进展

现有的无线电能传输技术均是以整数阶系统理论为基础提出和构建的,传输特性对传输距离、系统参数变化敏感,抗干扰能力弱,难以适应实际应用需要。因此,探索新型无线电能传输机理和技术将是一个长期的研究课题。受益于分数阶微积分的快速发展,分数阶无线电能传输机理和技术被提出。不同于传统整数阶系统,分数阶无线电能传输系统利用其所特有的记忆特性、负电阻特性和频率特性,可以实现高效率、高抗干扰的中距离无线电能传输,且系统设计灵活,可以满足多种场合的需要。为此,文中介绍了分数阶无线电能传输机理的提出过程及研究进展,分别从分数阶微积分、分数阶元件及电路、分数阶无线电能传输机理等方面进行阐述。最后,与现有整数阶无线电能传输系统进行了对比,结果表明所提系统的传输效率和输出功率具有对距离和谐振频率变化不敏感的特性。     

阵列式无线电能传输系统自适应区域划分定位策略

无线电能传输系统中,发射线圈和接收线圈间不可预知的偏移会显著地降低系统的传输性能。通过阵列式系统的精确定位和功率定向,能够有效地缓解偏移带来的不利影响。该文提出一种基于自适应区域划分的平面阵列式无线电能传输系统接收线圈定位策略。该策略不需要额外的检测线圈或位置传感器,仅通过建立发射线圈电流与接收线圈坐标之间的关系模型,就能推导出坐标计算公式。根据预设定位精度,对随机放置接收线圈的区域进行划分,并动态优化各区域的最佳参考点。通过比较接收线圈在待测定位点与最佳参考点时发射线圈电流的变化量,确定相应坐标的变化量,从而实现对接收线圈的精确定位。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明,在329 mm×329 mm的区域内,平均定位误差为9.98 mm,满足预设的10 mm定位精度。     

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。     

具备恒压特性的SP/S感应式无线电能传输系统

在感应式无线电能传输系统的实际应用中,通常需要系统输出电压保持恒定。采用一种基于串并/串(SP/S)谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构,当系统发射端和接收端的相对位置确定并采用定频控制时,该结构在全负载范围内具备接收端输出恒压特性。同时分析了随着横向偏移的变化,系统输出恒压增益的变化特性。最后,设计了一个6.6 k W、20 k Hz定频控制的感应式无线电能传输实验系统,验证了所采用的SP/S谐振补偿拓扑结构的可行性和有效性。     

基于弧形线圈的无线电能传输系统研究

在采用串串(SS)补偿结构的无线电能传输系统中,针对不同场合下对受电体不同形态的需求,提出一种基于弧形线圈的能量传输结构。推导在SS补偿结构下的系统效率影响因素,得出互感对系统输出功率与效率的影响,之后在Maxwell软件中对平板形与弧形线圈的不同组合进行电磁仿真与有限元分析。基于仿真得到的结论,对采用弧形线圈的无线电能传输系统进行了设计和确定相关参数,并搭建硬件平台进行实验。实验结果证明理论与仿真的正确性,为无线电能传输系统的优化与设计提供参考。     

感应式无线电能传输系统抗偏移技术研究综述EI北大核心CSCD

无线电能传输(wireless power transfer,WPT)的应用初衷是为了让供电更加灵活方便,倘若系统的抗偏移性能不足,则难以满足实际应用的需求,因此抗偏移技术一直都是WPT系统研究的热点。文章综述国内外感应式WPT系统抗偏移技术的研究现状。首先,概述标准中关于偏移的定义和要求,介绍研究抗偏移技术的主要团队;其次,分析线圈偏移对系统输出性能的影响规律,并列出不同类抗偏移的技术手段;接着,重点介绍不同种类抗偏移技术的基本原理和主要研究成果,并指出不足之处;最后,论述抗偏移技术的未来研究方向。     

基于电容调制的无线电能传输系统信号电能同步传输

采用改变补偿电容的方法对信号进行电容调制,通过人为影响补偿谐振腔的工作状态,使得线圈两端电压出现一定规律变化,再经过降压分压、检波、滤波、比较等一系列信号处理环节,还原发送的信息。仿真及实验结果表明,该方案设计合理,可以正确地发送和提取相关信号,并对电能传输的影响较小,实现了无线电能传输系统信号与电能的同步传输。     

新型S/SP补偿的非接触谐振变换器分析与控制

非接触谐振变换器的补偿方式直接影响到系统的增益特性和控制特性,是非接触能量传输技术的研究重点之一。考虑到非接触应用场合中的变参数特性,论文提出了一种可适应负载及变压器参数变化的新型的串/串并(series/series parallel,S/SP)补偿拓扑。该补偿拓扑具有增益交点处输入相角为零,且增益交点值固定不随变压器耦合系数而改变的优点。论文对该新型补偿拓扑进行了特性分析;并针对其增益交点处输入相角为零以及增益交点处增益曲线相对平坦的优点,提出锁相环(phase lock loop,PLL)控制和恒频控制2种控制策略。采用所提出的补偿方式,设计了一台PLL控制60 W的谐振变换器和一台1.5 kW恒频控制的原理样机。实验结果与理论分析一致,验证了所提出的新型补偿方式的优点。1.5 kW的样机在10 cm气隙满载条件下效率达到95.2%。     

一种应用于不同轴径转轴的感应供电平面阵列线圈结构

感应耦合供电(ICPT)技术为旋转结构供电提供了安全高效的解决方案,针对旋转结构传统的侧置式和同轴式感应耦合供电结构存在耦合结构设计、安装、调试繁琐的缺点,提出了一种感应耦合供电的平面阵列线圈结构。通过建立精确三维有限元模型,分析了移动中系统供电的稳定性和抗偏移性。实验结果表明,该耦合结构消除了传统结构供电时发射与接收线圈位置保持相对静止的弊端,对运动物体供电具有良好的鲁棒性和可移植性,易于安装和使用,更好地适应移动设备供电。提取阵列线圈结构感应供电时接收线圈感应电压幅值的小幅波动,可以同时实现转轴转速测量。     

补偿参数对串/串补偿型无线电能传输系统特性的影响分析

以串/串补偿型无线电能传输(S/S-WPT)系统为研究对象,为了给补偿电容参数的优化选择提供一定的指导,基于变压器T模型等效电路对S/S-WPT系统进行建模分析,得到了系统实现输出恒压时补偿电容参数需满足的约束条件。在该约束条件下,进一步分析补偿电容参数对输入阻抗、输出电压增益和系统效率的影响,并得出了输入阻抗为感性的条件、输出电压增益的调节方法以及系统效率的优化途径。实验结果验证了理论分析的正确性。     

以电动机为负载的非接触供电技术

自2007年以来非接触供电技术得到了迅速发展,但以电动机为负载的非接触供电技术研究较少。电动机是强冲击、大范围功率变化的机电负载。因此,在用非接触方式为电动机供电时,供电电压易随电动机运行状态的变化而明显波动。针对这一问题,本文在发射端采用LC补偿、在接收端采用串联补偿的方式,以实现发射线圈恒流特性、接收端稳压特性。介绍了LC/S补偿参数的设计方法,搭建了仿真和实验平台。分别利用LC/S和SS两种补偿方式对电动机直接起动和软起动过程进行了对比实验,结果表明,电动机起动前后,SS补偿方式发射线圈电流相对减小了6.03%,输出电压相对减小了22.48%;而LC/S补偿方式发射线圈电流相对减小了3.85%,输出电压相对减小了12.9%。由此表明,LC/S补偿方式具有更好的稳压和抗冲击特性,适于电动机类负载的非接触供电。     

Improving the Efficiency by Controlling the Switching Frequency for Secondary‐Side Converter of an Inductive Power Transfer System

The switching frequency affects the efficiency of a secondary‐side converter that is configured with a diode bridge rectifier connected to a DC‐DC converter in an inductive power transfer (IPT) system. The efficiency characteristics for the switching frequency of a secondary‐side converter were analyzed theoretically in order to establish a highly efficient control scheme the controls the switching frequency of the converter. A control scheme is proposed in which the switching frequency of the secondary‐side converter is controlled according to the efficiency characteristics. The validity of the proposed control scheme was clarified through experiments. The results showed that the proposed control scheme improved the efficiency of the IPT system by 3.4 points compared to the conventional control scheme.     

电压型松耦合全桥谐振变换器原理分析与实现

以初次级同为串联谐振的松耦合感应传输方式的全桥变换器为研究对象,对其补偿参数的选取进行了详细推导,给出了谐振时电路的模态分析.最后,基于一台1kW样机实验,验证了其理论分析的正确性.由实验数据可以看出,变换器获得了恒压源特性.     

城市配电网电容器投切产生供电母线电压波动的特征实测研究

对电容器投切产生的动态电压波动情况进行了分析评价.以电能质量分析理论为基础,选择两个典型的变电站进行实测,从电容器投切产生的供电母线动态电能质量指标特征和电压瞬态特征进行了评价.     

基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器

为适应锂电池的先恒流后恒压充电曲线,感应式无线电池充电器应提供其所需的输出,同时在整个充电过程中还应具备阻性输入阻抗,以降低器件应力、减少无功环流.针对4种基本补偿拓扑无法同时实现以上要求,而高阶补偿网络必须依赖更多器件实现上述需求的问题,系统地推导了具备阻性输入阻抗和恒定输出特性的基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器的设计自由度,分析其补偿参数与工作频率的约束条件.同时,对三电容补偿的串/串并(S/SP)和串/并串(S/PS)结构的输出特性进行分析和对比,分析补偿元件参数对输入阻抗角和输出增益的影响,以指导软开关设计.最后,搭建一台输出为48 V/2 A的单级式无线电池充电器以证明以上设计的可行性.