基于克里金模型的无线电能传输优化设计*

为了提高感应耦合式无线电能传输效率，基于有限元耦合线圈与无线电能传输(WPT)系统参考模型、串串型谐振补偿网络，提出了一种利用克里金模型与混合整数遗传算法相结合的优化策略，对耦合线圈结构参数进行优化设计，提高无线电能传输效率。仿真与实验结果表明，优化方案将WPT效率值提高了976%。最后，采用优化线圈结构数据搭建有限元仿真模型，计算值与仿真值计算精度达到了10-5，验证了优化线圈结构对应效率值的准确性。     

无线电能传输系统高效率低漏磁的全向环绕型

在电动汽车无线电能传输系统（WPT）中,如何通过电磁屏蔽技术来降低WPT系统中的漏磁,同时维持较高的传输效率是一个难题。为此本文提出了一种全向环绕型有源磁屏蔽线圈结构来减少WPT系统中的漏磁。首先,分析了该结构的磁屏蔽工作原理以及设计思路,推导了该结构的数学模型;其次,根据本文线圈结构高效率低漏磁的特点,提出了一种线圈优化方法,得到了满足设计要求的线圈参数;最后,根据得到的线圈参数,搭建了一套基于所提线圈结构的WPT系统,并通过仿真和实验验证了该结构和方法的合理性。结果显示,在传输功率为4 kW时,本文提出的线圈结构在偏移0 cm时,目标面的最大漏磁为3.76 μT,相比无屏蔽线圈结构降低了43.63%的漏磁,并且传输效率高达95.58%;在偏移10 cm时目标面的最大漏磁为6.03 μT,仍符合漏磁安全标准,并且传输效率为92.92%,高于同尺寸无源屏蔽线圈结构和传统有源屏蔽线圈结构的传输效率。     

多负载远距离无线电能传输系统研究

针对一类既需多级输出又能延长传输距离的无线电能传输(WPT)场合,从磁耦合谐振基本原理出发,结合多中继结构与多负载结构的优势,设计了一种新型三线圈双负载WPT系统.该系统选用LCC-Multi-S型补偿拓扑,在传统双线圈系统中加入一级特殊的接收线圈,设计了两级接收线圈结构,推导了系统双负载恒压输出条件,实现了两级负载端的相同功率输出,同时系统WPT距离得到延长.仿真和实验验证了提出的方案的可行性.     

基于“88Q”线圈的三维抗偏移WPT系统

针对谐振式无线电能传输(WPT)系统在传输距离和负载变化时引起输出电压不稳定的问题,提出一种“88Q”线圈耦合装置,结合LCC/S与S/LCC型负载无关恒压谐振拓扑可实现平面线圈的三维抗偏移恒压输出。给出了“88Q”线圈的空间位置和特征参数,分析线圈激发磁场的分布特性、线圈水平偏移和改变传输距离情况下线圈互感变化趋势。最后,搭建系统实验平台。实验结果表明,系统负载变化或耦合装置发生偏移时,均可实现恒压输出。     

具有可变增益恒压特性的双线圈无线电能传输系统补偿网络设计与分析

为了实现具有恒压特性的双线圈无线电能传输(WPT)系统中补偿网络的优化设计,该文在变压器T网络模型基础上定义等效耦合系数k_r与等效变比n₁,为双线圈WPT系统的高阶补偿网络设计与分析提供一种新方法。首先建立变压器T网络等效模型,给出具有恒压特性的串联-串联(S-S)型双线圈WPT系统元件参数表达式。其次结合等效耦合系数与等效变比,提出具有可变增益恒压特性的串联/并联-串联(SP-S)型与串联/并联-串联/并联(SP-PS)型双线圈WPT系统的补偿网络参数确定的新方法。在此基础上,考虑寄生电阻对系统传输特性的直接影响,以WPT系统的电压增益稳定性与传输效率为指标,得出不同等效参数下传输特性表达式,推导出在线圈偏移情况下最佳等效参数k_r与n₁的表达式,为WPT系统的补偿网络的优化设计提供理论依据。最终通过实物实验验证所提系统的恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。     

双受能端无线传能系统传输能效优化方法研究

针对无线电能传输(WPT)设备在实际中对“一对多”形式日益增长的需求,此处通过构建磁耦合WPT系统等效电路模型,结合LCC拓扑恒流传输特点及双受能端异轴同侧的位置布局,在供能线圈铜耗量固定的前提下,通过设计系统的电气参数来构建供能线圈结构参数以优化传输能效,从而设计了一种两端半圆、中间矩形的跑道形结构的供能线圈,在此基础上搭建起一套采用跑道型供能线圈结构的双受能端磁耦合WPT系统。在直流输入36 V、两个20Ω负载条件下,系统输出总功率可以达到162 W,效率达到87.72%,通过实验验证了理论分析的正确性和系统设计的可行性。     

一种高Q值的谐振式无线能量传输技术的应用

针对经皮无线供电系统中松耦合的电磁感应供电方式存在的能量传输距离近,传输效率低的问题,分析了一种基于高Q值的谐振式能量传输方式。首先分析了谐振式能量传输的理论模型以及Q值在能量传输效率中的作用;其次对基本经皮感应电路进行改进,通过在驱动和负载之间增加一对谐振线圈,减小信号源内阻以及负载对Q值的影响;最后搭建实验测试装置进行对比实验,采用增加谐振线圈的方式提高了系统Q值,相同传输距离时能量传输效率提高了4倍,传输距离也有了明显改善,证明了该方法的有效性。     

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。     

基于磁共振的无线能量传输系统接收模块参数研究

基于磁共振的无线能量传输技术应用环境复杂多变,很难保证收、发线圈的参数和结构保持一致。本文针对发射模块参数不变的情况,研究了接收模块线圈半径、线径、线圈匝数和线圈长度变化对电感、电阻、品质因数、互感、耦合系数和传输效率的影响。理论计算与Pspice仿真均表明,线圈半径的变化对系统传输效率的影响最大,系统传输效率随着线圈半径的增大而增大,但当接收模块的线圈半径小于发射模块线圈半径的50%时,系统的传输效率迅速降低;增大线圈长度对系统的传输效率影响相对较大,增大线圈长度使系统传输效率先减小后增大;导线半径和线圈匝数的变化对传输效率的影响最小,系统传输效率随着它们的增大而略微增大。     

谐振式无线电能传输线圈结构优化与实验研究

针对当前基于单层谐振器的无线电能传输(WPT)系统传输距离、效率受线圈半径、匝数等参数限制的问题,设计了一种交叉双层平面结构的新型谐振器。根据无线能量传输原理,建立了以单层谐振器为系统的电路模型,并对其传输特性进行建模与仿真分析,研究了线圈匝数和半径对系统传输特性的影响;选取一定半径和匝数的单层平面线圈为系统谐振器,仿真分析了输出功率、效率等传输特性随距离的变化关系,通过实验验证了理论与仿真的一致性;在保持线圈匝数和半径不变的条件下,系统的谐振器依次采用双层平面结构、交叉双层平面结构,通过实验对比,验证了交叉双层平面结构的可行性。最后,通过缩小半径的交叉双层平面线圈结构与单层平面线圈结构的实验对比,新型谐振器的优势得到了进一步的验证。     

基于线圈偏移的无线电能传输系统参数优化方法

磁耦合谐振无线电能传输系统在实际设计过程中,系统线圈的相对位置是系统传输性能主要影响因素之一,针对传统电能传输系统中线圈发生偏移时造成的效率亏损问题进行研究,提出一种基于萤火虫算法的参数设计方法,实现线圈在非同轴放置时的效率优化;首先对不同位置下的线圈互感系数进行分析,然后引入双边LCC拓扑结构对其传输性能进行分析,根据分析结果采用萤火虫算法进行参数优化,最后通过有限元仿真及实验平台验证方法的有效性,结果显示在偏移距离小于线圈半径时系统的传输效率可保持85%以上,与传统的SS拓扑结构下WPT系统进行比较,优化后的系统传输效率平均提升20%,负载的接收功率保持在20 W左右。     

耦合谐振式无线电能传输系统的线圈优化

在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时,由于存在理论偏差和实际损耗,其传输效率会随着传输距离的增大而急剧减小。因此如何有效地提升发射端与接收端的耦合系数,设计最优的线圈结构以提高传输效率,对研究磁耦合谐振式无线电能传输系统有着重要的理论意义和实用价值。本文采用耦合模理论对系统进行建模,在COMSOL软件平台下,对磁耦合谐振式系统的线圈结构进行了仿真分析,初步得到不同结构的线圈对系统传输效率的影响,在此基础上,提出了在固定线圈距离时线圈参数优化的方案。     

一种基于复合绝缘子的无线电能传输装置

随着无线电能传输(WPT)技术的发展成熟,其应用领域越来越广,尤其是在手机和汽车充电方面的应用。此处针对WPT技术在高电压领域的应用进行了研究,介绍了磁共振式WPT技术的特点,建立了带有中继线圈的共振无线传输系统的数学模型,并通过分析复合绝缘子的特点,创造性地提出了一种基于复合绝缘子的WPT装置,提供了一种绝缘子内嵌线圈的设计思路,并进行了实验验证。结果表明,将WPT线圈嵌入复合绝缘子当中,可实现WPT且能满足高压环境下的绝缘要求。     

基于组合补偿网络的抗偏移恒流输出无线电能传输系统研究

针对无线电能传输(WPT)系统线圈相对位置偏移引起传输效率降低、输出电流不稳定和发射线圈过电流问题,提出一种抗偏移恒流输出型WPT系统及其参数配置方法.该系统将LCC-LCC和串联-串联(S-S)补偿网络进行输入串联和输出串联,并采用QDQPs磁耦合结构.在此基础上,通过合理的参数配置,不仅实现了与负载无关的恒流输出,...     

用于IWPT系统的双层交叠线圈抗偏移特性研究

针对无线电能传输(WPT)线圈发生横向偏移导致效率降低的问题,提出了一种双层交叠线圈结构,该结构可以实现多负载充电,且具有较强的抗偏移性能.首先,建立双层交叠线圈系统电路模型,分析影响系统效率的因素;其次,通过COMSOL软件仿真建立了双层交叠线圈模型,研究了多组充电区域的效率和横向偏移的关系;最后,为验证理论和仿真的真实性,设计了试验装置,结果表明,接收线圈磁通量变化会影响线圈效率,当发生横向偏移时,所提双层交叠线圈结构能维持高且平稳的磁场强度,使系统有效地保持高效率能量传输.     

基于动态匹配法的无线电能传输效率分析

作为无线电能传输(WPT)技术一个新的发展方向,磁耦合谐振式WPT技术具有较大的传输距离、较高的传输功率和效率以及无辐射性和穿透性等优势。然而,在定距离磁耦合谐振式WPT装置中,当发射线圈与接收线圈间的距离由于某种原因发生变化时,电路阻抗需要实时匹配,才能保证系统始终工作在该距离的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种动态匹配优化方法,并通过仿真与实验验证了该方法能有效提高系统在变距离环境中的传输效率。     

电动汽车无线充电系统磁耦合线圈结构的多目标优化设计

对于电动汽车无线电能传输（WPT）系统的磁耦合线圈结构优化设计,需综合考虑功率等级、传输效率与经济性等。首先分析了线圈匝数与匝距对传输功率、传输效率及线圈经济性的影响。然后,基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）,提出了以线圈效率与线圈经济性为优化目标,以3.3 kW额定功率与线圈尺寸为约束边界,对线圈匝数与匝距进行多目标优化设计的方法。最后,基于Maxwell-Simplorer联合仿真验证了优化设计方法的可行性与有效性,优化后线圈最大传输效率可达93.4%,两侧线圈损耗均得到改善。     

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%。     

基于单线圈双谐振结构的无线携能通信系统架构研究与设计

无线能量与无线信号的同时传输是目前无线电能传输系统研究的热点。本文以单线圈双谐振磁耦合结构为研究对象,构建系统模型,推导能量传输频率点的Q值、信号传输频率点的带宽、以及能量谐振通道与信号谐振通道之间的串扰公式。从兼顾能量传输性能和信号传输速率的角度,分析基于单线圈双谐振结构的无线携能通信系统电路参数设计的影响因素,给出电路参数的设计方法。最后,搭建仿真模型和实验平台,对所提出的电路参数设计方法进行验证。     

线圈距离可变的无线电能传输系统研究

在无线电能传输(WPT)系统中线圈之间的距离是影响输出功率的一个重要因素。针对特定场合中线圈距离可变时仍要保持一定输出功率的需求,此处基于串串(SS)型补偿拓扑对线圈距离与输出功率的关系进行了研究。首先对电路拓扑建立数学模型,利用Matlab软件拟合并分析了线圈距离与互感的关系,通过互感将线圈距离与输出功率两者进行联系并分析,得出了当线圈距离变化时输出功率的变化情况,并基于此说明提升初级电压对增大线圈距离可变范围的可行性。最后搭建了实验装置,通过实验结果与理论分析曲线的对比验证了理论分析结果的正确性。