磁耦合谐振式无线电能传输系统中线圈谐振特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中激励线圈与发射线圈是否谐振、接收线圈与负载线圈是否谐振,建立了4种结构模型;采用电路理论,详细分析了4种结构模型下的等效阻抗,并通过Pspice仿真重点分析了在相同参数下4种模型的输出功率。仿真结果表明,激励线圈与发射线圈谐振且接收线圈与负载线圈不谐振时的结构输出功率最大,且在大负载情况下,仍具有高效率。在电源频率为13.56 MHz,发射线圈与接收线圈的距离为26.8cm,耦合系数为0.2,负载为32Ω的情况下采用此模型,输出功率达到136.25 W。     

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。     

无线电能传输系统传输距离及传输效率分析

运用电路理论,推导出四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的表达式,并分析了影响传输效率的主要因素。当线圈结构参数选定时,源线圈与发射线圈之间的距离和接收线圈与负载线圈之间的距离成为无线电能传输系统传输距离变化时影响传输效率的关键参数。采用差分进化算法对影响因子进行优化,该方法使得四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统在传输距离发生变化时能动态调整提高传输效率。最后,通过仿真验证了此方法的正确性。     

线圈非同轴时磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率优化

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈非同轴放置时系统的传输效率过低的问题,运用耦合模理论,推导出系统的效率表达式。并以此为基础,分析发射线圈与接收线圈非同轴放置时,系统传输效率的变化规律。为解决发射线圈与接收线圈之间非同轴放置时系统效率过低的问题,提出一种基于混沌优化算法的参数动态调节方法,该方法能使系统几个关键参数实现最优匹配,有效提高系统的传输效率。最后,研制了一套磁耦合谐振式无线电能传输系统装置。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。     

无线电能传输系统的线圈参数及耦合系数研究

磁耦合谐振无线电能传输影响系统耦合系数的主要因素是线圈参数。对于空间两线圈的互感模型,由诺依曼理论推导出发射、接收线圈间的互感系数表达式;通过建立有限元仿真模型对收发线圈进行电磁场仿真计算,针对线圈结构进行优化设计,进一步分析载流线圈的绕制结构、尺寸参数、空间位置等因素对互感耦合系数的影响。采用层绕式螺旋管结构线圈能提高传输系统耦合效率,增大发射线圈尺寸使其大于接收线圈尺寸有利于提高耦合性能。     

谐振式无线电能传输系统的设计

系统以磁耦合谐振式无线电能传输技术为核心,通过在发射线圈回路和接收线圈回路之间建立LC谐振振荡电路,从而实现了一定距离下电能的高效无线传输。该系统依据电能的传输距离和给定的负载电阻大小,通过建立相应的谐振频率,在发射线圈回路和接收线圈回路中以近场谐振工作方式建立电能的无线传输系统,其实验测试结果表明该系统电能的传输效率最高可以达到73.5%,很好地满足了设计要求。     

三线圈MCR-WPT系统中继线圈轴向位置的优化研究

探究三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中继线圈的最优轴向位置对优化系统传输性能至关重要,为此深入研究三线圈MCR-WPT系统的传输特性,应用电路互感耦合理论结合同轴线圈互感计算方法得出了系统最大功率和最大效率传输条件;基于上述最优传输条件,对宽负载范围内中继线圈轴向偏移对系统传输特性的影响进行了电磁仿真。仿真结果表明：中继线圈传输功率和传输效率的最优轴向位置与负载有关,均随负载的增大向接收线圈一侧偏移,当电源内阻与负载相等,中继线圈位于耦合机构中间位置时系统可获得最大传输功率,靠近发射线圈一侧时可获得最大传输效率。最后,搭建了三线圈MCR-WPT系统实验平台,实验验证了理论与仿真的正确性。     

MCR-WPT系统接收线圈偏移角度的测量方法研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)系统接收线圈相对于发射线圈偏移角度的不确定性，导致系统传输效率波动较大的问题，提出了一种基于反射阻抗的MCR-WPT系统接收线圈偏移角度计算方法。根据基尔霍夫电压定律建立发射线圈反射阻抗与线圈互感之间的关联，再根据空间两线圈的互感公式推导互感与线圈偏移角度之间的关系式，从而建立反射阻抗与偏移角度的表达式。利用Maxwell和Simplorer仿真软件搭建线圈模型和外围电路进行联合仿真，同时搭建了完整的MCR-WPT系统实验装置，在两线圈距离不同的情况下做了多组实验。仿真结果显示两线圈设定角度与计算角度平均绝对误差为2.57°,实验结果显示设定角度与计算角度平均绝对误差为2.94°。通过上述方法可以较为精确地计算出短距离无线电能传输系统接收线圈的偏移角度。     

非对称磁耦合谐振无线电能传输系统效率优化

针对线圈偏置对磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的影响问题,首先,应用电路理论建立了无线电能传输系统的等效电路模型,并通过求解电路方程得到了系统传输效率的表达式;其次,根据线圈互感与空间位置的关系分析了线圈偏置对线圈互感的直接影响以及对传输效率的间接影响;得出了系统线圈偏置分为无方向性偏置与有方向性偏置两种;最后,设计了一套效率优化流程以补偿因线圈偏置而降低的传输效率。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为移动式无线充电系统的设计与优化提供了参考和借鉴。     

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。     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统电源变换器技术

设计了一种宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统变换器,采用E类功率放大器为主电路拓扑,对电路性能进行分析,通过优化工作状态和匹配网络,提高系统的负载功率和传输效率。同时对系统的宽频特性进行优化,结合发射、接收谐振器负载网络匹配设计,对变换器在不同谐振频率、不同谐振器下的传输特性进行分析。并利用设计的变换器进行了宽频范围0.15~8MHz、传输距离30cm的仿真和实验研究,在宽频范围内实现零电压开通和关断的工作状态,提高了宽频系统效率,完成了理论、仿真分析和实验的相互验证。     

基于磁耦合共振的能量无线传输性能分析

针对磁耦合共振式无线能量传输技术的特点,从理论和仿真实验两个方面对这一前沿技术进行了系统的研究,通过理论推导分析了影响效率的因素。并通过三维电磁仿真软件(HFSS)设计了具体的发射和接收实验系统,探究了发射频率、线圈间距、谐振状态等因素对传输功率、传输距离和传输效率的影响。对能量无线传输系统的设计分析有着重要意义。     

传输距离对谐振式无线电能传输系统的影响

发射线圈和接收线圈之间的距离是设计无线电能传输系统的一个关键影响因素。距离的变化对于系统的输出功率和效率都会产生影响。先利用两线圈的互感耦合模型,从电路的角度计算出系统输出功率和效率与耦合系数的关系式再通过ansoft软件仿真得到距离和耦合系数的关系,从而得到最大功率点的位置及效率随距离变化的改变情况。最后,设计了相关的实验电路,实验结果与仿真、理论分析具有较好的一致性。这为设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时选择合适的耦合系数提供了参考依据。     

自动导引车无线充电系统中发射线圈优化设计

为解决无线充电系统中线圈间耦合系数小、充电效率低的问题,提出一种在不同传输距离下发射线圈和接收线圈半径匹配的优化设计方法。首先建立了该无线充电系统的等效电路,推导出传输效率与互感和线圈内阻的关系;其次对平面环形线圈进行等效建模,得到了两共轴平行圆线圈间的互感公式;然后在特定接收线圈下,利用线圈间互感公式和有限元仿真得到了平均半径比与传输距离的关系,并在自动导引车的充电距离下,优化设计了发射线圈的内外半径;最后对优化前后发射线圈进行了对比实验。实验结果表明,优化后发射线圈可以明显提升系统的传输效率,从而验证了所提设计方法的正确性。     

全方位无线电能传输系统设计

针对泛在监测背景下低成本、复杂度低的全方位无线电能传输系统需求,从线圈设计角度提出了一种使用单电源的全方位无线电能传输系统。该系统发射线圈设计为一条导线制成的六面连通立方体,接收线圈为单个矩形线圈。通过磁场分布和互感特性的仿真分析,选择了最优的全方位线圈结构。实验表明在发射线圈任意角度传输功率和效率均能满足无线电能传输系统要求。最终从传输距离和传输角度两个方面,总结了全方位系统的电能传输规律,为接收线圈的最佳安装范围提供依据。     

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。     

基于复合拓扑的无线电能传输系统优化策略

在无线电能传输过程中,受初级发射线圈及次级接收线圈之间相对位置以及电池内阻在充电过程中随时间变化的影响,线圈之间耦合情况以及系统负载大小在电能传输过程中动态变化,导致系统偏离最优效率工作点而引起传输效率下降。针对该问题,提出基于LCL-S型拓扑的无线电能传输系统效率优化策略。首先根据电路原理对系统进行理论分析,其次,根据谐振拓扑次级输出电压和初级输入电压有效值之比与负载解耦的特点,提出线圈互感大小估算方法,并通过对负载侧Buck-Boost电路控制信号施加扰动,寻找最优效率工作点,实现系统在电池恒流-恒压充电模式下效率优化。最后基于半实物仿真平台实验验证了该方法的有效性和可行性。     

基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究

磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术,与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高、条件要求低等明显优势,目前国内对此技术的研究大都处于探索阶段。为了准确把握技术核心以及关键点,本文首先建立了无线电能传输模型,并在此基础上利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导,得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素。随后,通过大量实验验证了上述理论分析结论,并且对理论推导结论中未体现的因素进行了实验探索,所得结果对原有理论进行了有益补充,在实验室条件下实现了传输效率为60%、接收功率为2W的电能传输。另外,在对发射谐振频率和接收谐振频率与系统谐振频率的关系分析中,利用互感理论解释了接收端谐振频率与系统谐振频率相同的必要性。最后,总结了在磁耦合谐振式无线能量传输技术应用过程中提高传输效率和有效传输距离的若干方法。     

基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)因其具有在中长距离传输较大电能的优势,获得较高的潜在应用价值。针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统,首先分析其传输效率,得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统取得最大效率的必要条件;进一步分析并证明在线圈互感一定的情况下,存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值;然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载,提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案;最后通过仿真和实验验证了方案的有效性和可行性。     

旋转物体上电子设备无线供电技术研究

为了给安装在旋转物体上的电子设备进行无线供电,本文以鼓风机设备为例,提出了一种感应耦合式无线电能传输系统,将接收线圈和传感器固定在鼓风机叶片上,随着叶片一起旋转,发射线圈安装在鼓风机静止部分。接收线圈和叶片的旋转会导致互感变化,从而影响传输能量的平稳性。针对这一问题,本文发射端采用LCC补偿,以实现发射线圈恒流特性。为了使接收侧在旋转的任何位置都能接收到足够的功率,本文采用了两个发射线圈和两个接收线圈的结构。分析了两个接收线圈的两种连接方式对系统传输功率和传输效率的影响。搭建了仿真和实验平台,对比研究了两接收线圈串联和两接收线圈并联两种方式。结果表明,在获得最大功率和提高传输效率方面,并联方式都优于串联方式。