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。     

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。     

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。     

基于松耦合变压器感应式无线电能传输系统的设计

高效率、大功率是无线电能传输至关重要的性能指标,设计了一种基于松耦合变压器的感应式无线电能传输系统,在一次侧、二次侧均采用串联补偿电路和功率因数校正(PFC)电路,提高了电能利用效率,同时在网侧采用倍压整流,便于大功率电能传输,逆变采用双管双E类逆变器,提高了输出功率,最后通过仿真验证了系统的有效性,对大功率感应式无线电能系统设计具有借鉴价值。     

多接收线圈无线电能传输系统的抗干扰控制

多接收线圈无线输电系统存在负载线圈间相互影响的问题。为了实现负载线圈间的解耦,此处引入开关可控电容(SCC)结构,通过移相控制电容的大小实现对系统的时变补偿,进而实现负载线圈的解耦。对控制策略分别进行软件仿真和实际电路模拟,在负载端负载线圈位置、个数及负载大小分别变化时,该策略都能起到控制系统稳定输出的目的,即实现负载端线圈的解耦。     

磁耦合无线电能传输系统实本征态工作模式及能效特性分析

针对目前宇称时间(PT)对称磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统的物理原理、参数条件及其与常用工作模式的区别等方面认识不全面的问题,首先基于振动学理论对PT对称MC-WPT系统进行建模分析,明确其实质为实本征态工作模式,并建立了实本征态系统的一般参数条件。进而从实本征态角度,对比分析了基于运算放大器实现和基于逆变器实现的PT对称系统的物理原理,证实基于运算放大器实现的PT对称系统物理原理为自激振荡系统,具有自选频率特性,而基于逆变器实现的PT对称系统本质上是强迫响应系统,工作频率由逆变器给定。在此基础上,将PT对称系统与目前MC-WPT系统常用的几种工作模式包括零相角模式、美国麻省理工学院(MIT)提出的共振耦合模式、复本征态模式进行了对比分析,得到了各种工作模式的特性及优缺点。     

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。     

Investigating the frequency for load‐independent output voltage in three‐coil inductive power transfer system

Using circuit theory, this letter investigates the output voltage characteristics of three‐coil inductive power transfer (IPT) system against load variations and determines the operating frequency to achieve a constant output voltage. First, a three‐coil IPT system is modeled, and the analytical expression of the root‐mean‐square of the output voltage is derived. By substituting the coupling coefficient, the quality factor, and the resonant frequency, we propose an intuitive method of calculating the frequency for load‐independent output voltage for the first time. When the coupling coefficient is relatively small, there are three frequencies that achieve load‐independent output voltage. If the coupling coefficient increases and is greater than , only two frequencies can achieve load‐independent output voltage. Experiments are conducted to confirm these conclusions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

LCL谐振型感应电能传输系统参数设计

LCL型谐振变换器已经广泛应用于感应电能传输(IPT)系统中,但目前的研究并没有针对LCL型IPT系统参数设计问题提出有效的方法,以获得预期的性能。对此建立了LCL型IPT系统的互感耦合模型,在此基础上将三阶LCL谐振网络分解为四阶LC-LC谐振网络,提出了一种分步求解谐振网络补偿参数的方法,简化了系统的参数设计难度,针对给定的预期性能设计了系统参数。推导了系统传输功率和效率的表达式,最后通过仿真验证了理论分析的正确性。     

基于赫姆霍兹线圈LCC-S型多负载无线电能传输系统的研究

针对多负载无线电能传输系统存在负载之间功率分配不均及取放负载时对其他负载有影响的问题,提出了基于赫姆霍兹线圈LCC-S型多负载无线电能传输系统。首先,利用电路互感模型对该系统进行了建模分析,推导出了流过发射线圈的电流、输出电压及效率的表达式,研究了工作频率和负载个数对效率的影响,该系统还具有恒压输出的特性。其次,为了使发射线圈产生的磁场更加均匀,发射线圈采用赫姆霍兹线圈,利用有限元仿真软件设计了两种赫姆霍兹线圈,这两种赫姆霍兹线圈在轴中心附近的较大范围内产生均匀的磁场。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。     

无接触电能传输系统的补偿及性能分析

运用松耦合变压器互感电路模型,推导出无接触电能传输系统原、副边分离的等效电路.选取合适的副边补偿电容,以增强系统的功率传输能力;选取合适的原边补偿电容,以降低对系统电源容量的需求.研究表明:当原边电流恒定时,在副边串联补偿,则负载所获取功率与负载大小成反比;在副边并联补偿,则负载获取功率与负载大小成正比.当原边电压恒定时,在原边并联补偿方式下,等效负载所获取的功率随负载的增加先升高后降低,针对不同的副边补偿方式,等效负载分别在相应的负载点取得最大传输功率.Pspice仿真结果验证了上述结论的正确性.     

平面螺旋线圈的无线电能传输特性研究

收发谐振体是无线电能传输系统的重要组成部分,它的性能直接决定了整个系统传输效率的大小.选择平面螺旋线圈作为收发谐振体,通过有限元仿真软件HFSS分析了线圈的属性(匝数、基板材料、层数等)对线圈参数的影响趋势,并分析了谐振体之间的能量传输特性,仿真结果表明了线圈之间的耦合因数比线圈Q值对传输效率的影响更大.最后综合考虑线圈的性能和制作成本,选择最优线圈作出实物并搭建无线电能传输装置,整个装置能够在线圈直径2.5倍的450 mm距离内点亮15W的LED灯泡,传输效率达到60％以上.     

参数扰动下感应电能传输系统改进型鲁棒控制

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)技术应用于移动负载供电时,由于其能量传输的方向性限制,不可避免的振动、偏转等机械扰动容易导致系统传输功率的不稳定。主要针对移动负载供电时外部扰动带来的互感扰动问题,设计了一种适用于参数动态扰动下的IPT系统改进型鲁棒控制方法。借助线性分式变换,结合标称IPT系统广义状态空间平均模型及其参数的扰动特征,用含摄动反馈的线性动力学模型表征系统扰动模型;同时跟据广义混合灵敏度指标,计算基于系统扰动模型及目标传递函数的改进型H_∞鲁棒控制器;仿真及实验结果表明,所设计的鲁棒控制策略具有对输出电压的快速跟踪控制能力,且对参数扰动影响具有较好的抑制作用。     

基于超级电容器控制策略的含风电微电网电压波动的抑制

在分析含风电及储能的微电网电压—功率特性基础上,提出一种基于超级电容器控制策略的电压波动抑制方法,可对风电功率的随机波动进行快速补偿,保证风电与超级电容器储能共同向外输出的功率稳定,实现系统母线电压的稳定控制。对该方法进行了PSCAD仿真,仿真结果表明:风速变化时,该方法可有效抑制风电功率变化引起的电压波动;大型阻感性负载投入、外部故障时,该方法亦能减小电压波动和电压恢复时间,从而验证了所提方法的有效性与可行性。     

An optimal control design for bidirectional inductive power transfer system using dynamics identification

Abstract

In this article, we address the tracking control problem for the bidirectional inductive power transfer systems (BIPTS) in the view of optimal performance. To achieve the optimal destination with respect to a quadratic value function, an identified linear model for the BIPTS is first developed, and it is proved to be convergent to the true dynamic model when the persistent excitation condition is satisfied. And then, based on the identified model, the desired system states and control inputs are derived according to the reference transferring power, and be utilized as the feedback signals and feedforward compensation, respectively, for the optimal controller. A hybrid Lyapunov function is developed to guarantee the closed-loop stability and the asymptotically tracking convergence. A numerical simulation is carried out to illustrate the satisfactory control performance.     

松耦合感应电源性能的影响因素分析

本文针对串并补偿结构的松耦合感应电源系统,建立了互感模型,分析了输出功率和传输效率达到最大值的条件,得出了系统在谐振频率工作时输出功率和传输效率只与映射阻抗的实部和线圈内阻有关的结论.最后根据实验参数,分析了工作频率、线圈内阻和负载变化对系统性能的影响.