无线电能传输系统最大效率跟踪控制研究

无线电能传输(WPT)系统的互感和负载在实际工况中会发生变化,进而影响系统传输效率。为了在变互感和变负载工况条件下提高系统效率,提出了一种基于输出端级联Buck-Boost变换器的最大效率跟踪控制方法。首先,建立WPT系统等效电路模型,得到互感估计表达式,并推导出系统效率与互感和负载电阻的关系。然后,在输出端级联Buck-Boost变换器拓扑的基础上,研究将系统等效电阻变换为最佳电阻的控制方法,以提高系统效率。最后,搭建实验平台进行验证。实验结果表明,在互感由19μH变化至45μH(耦合系数为0.1～0.25),以及输出电压由16 V变化至48 V的工况条件下,提出的方法能够使系统工作在最大效率点,相比于未采用该方法时,系统效率实现了最大4.79%的提升。     

磁谐振无线电能传输系统的最大效率分析

磁谐振无线电能传输系统由于具有传输距离中等、效率较高等优点而得到广泛研究。本文利用互感耦合模型,推导出磁谐振无线电能传输系统的最大传输效率表达式,并指出系统工作频率选择、电源匹配、负载匹配是决定系统能否获得最大传输效率的三大要素。通过引入强耦合系数的概念,得出强耦合系数是决定系统最大传输效率的关键物理量。设计制作了一台实验样机,验证了前述分析的正确性。     

一种无通信的无线电能传输阻抗匹配方法

磁耦合谐振式无线电能传输系统由于线圈两侧的电气隔离,通常使用无线通信来实时获取原副边的电压电流信息并对其进行控制。在一些特殊应用场合比如航天器,由于频率管制等原因无法使用通信电路。为了解决该问题同时使得系统的传输效率最优,提出了一种无通信的阻抗匹配方法。该方法选用Buck电路作为阻抗匹配网络,在负载电压变化时采用线性拟合的方法对整流输出电压进行控制,进而实现对系统最大效率的跟踪。建立了系统的等效电路模型,在不同负载下对系统的效率曲线进行了分析,给出了系统的控制策略。仿真与实验表明,在10cm的传输距离下系统的效率保持87%以上,验证了无通信阻抗匹配方法的可行性。     

无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析

射频功放模块是无线电能传输系统的重要组成部分,它的输出功率的大小直接决定了无线电能传输系统的传输功率。阻抗匹配是射频功放模块功率有效输出的必要条件,因此阻抗匹配对无线电能传输意义重大。本文理论分析了无线电能传输系统的等效阻抗以及影响阻抗值的因素。并针对无线电能传输系统阻抗特性提出了五种不同的调节阻抗的方法,并分析了其对无线电能传输系统的传输功率和效率的影响。最后进一步通过实验证实了所提参数对系统功率和效率的影响,为提高无线电能传输功率和效率提供了参考和借鉴。     

基于耦合系数估计的电动汽车无线电能传输最大效率跟踪

电动汽车行驶(EV)过程中可通过无线电能传输(WPT)提高续驶里程,而车辆轴荷的改变或者路面状况引起的悬架振动会改变发射线圈和接收线圈之间的耦合系数,导致WPT系统远离最大效率传输点。为了解决WPT系统效率随着耦合系数的波动而偏离极值点的问题,以串串(SS)型拓扑为研究对象推导出耦合系数实时估计方程,在此基础上提出了一种新的最大效率跟踪控制方法,利用PI控制调节接收侧直流电流,从而使得WPT系统在耦合系数变化时也可以维持最大效率状态。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。     

无线电能传输中的高频阻抗匹配特性分析

磁谐振式无线电能传输技术是基于磁谐振耦合现象利用近区磁场进行非辐射性、中距离输电的新技术。阻抗匹配技术在无线电能传输中广泛使用,用以增加传输距离,提高传输效率,使负载获最大功率。常规变压器适于在低频下作阻抗匹配,高频时磁芯容易饱和发热,降低传输效率。使用传输线原理绕制的变压器通过线间电感和电容耦合传输能量,可用于高频传输,亦可在无线电能传输系统中使用。文章分析了无线电能传输阻抗匹配原理,分析了传输线原理绕制的变压器匹配特性,使用高频变压器进行了无线电能传输的比较实验。实验结果表明高频变压器可用于无线电能传输,匹配得当时,增加传输距离的同时,可保持传输效率和最大输出电压,是提高无线电能传输性能的一种可选方法。     

无线电能传输最优效率下的阻抗匹配方法研究

针对强磁耦合谐振无线电能传输系统提出了一种改进型的负载阻抗匹配拓扑。为了提高整个系统的电能传输效率,在次级线圈后增加一个匹配馈电线圈形成新的阻抗变换结构,使负载阻抗达到最佳匹配条件。匹配馈电线圈通过对本身固有参数的调节来匹配不同的负载.让负载达到最佳匹配条件以实现系统传输效率的最大化。实验结果证明,通过这种方法对不同负载进行匹配实验,均可使系统传输效率接近理论最优值。     

磁谐振无线电能传输系统的阻抗匹配特性分析

针对磁谐振无线电能传输系统的四线圈结构,将其分解为三部分,不仅可简化系统传输效率和输出功率的分析,而且更能体现电源线圈和负载线圈的阻抗匹配作用.通过分析发现,电源线圈可以调节系统输入阻抗,负载线圈可以调节接收线圈等效负载电阻.因此相比于两线圈结构,四线圈结构对于不同的高频激励源和负载具有更好的适应性,容易使系统工作在较高效率的状态,并且可较灵活地调节系统输出功率.设计制作了一台试验样机,验证了前述分析的正确性.     

基于径向基神经网络的多负载无线电能传输系统自适应阻抗匹配方法

随着无线电能传输(WPT)技术的发展,同时给多个负载供电受到越来越多的关注.多负载WPT系统中,接收线圈之间的交叉耦合会使系统失谐,导致谐振频率处传输效率下降.该文首先分析了交叉耦合对传输效率的影响机理:然后提出基于径向基(RBF)神经网络算法的"T"型阻抗匹配网络,可根据不同负载对匹配网络中电容进行实时调整,实现系统与负载的自适应匹配;最后针对该方法搭建了实验平台,实验结果表明在交叉耦合影响最大时,系统传输效率从最低时的34％提升到了78％.     

磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证

针对在磁耦合谐振式无线电能传输系统中频率偏移是否会对负载接收电能的最大功率和效率点产生影响的问题,综合考虑线圈谐振频率、耦合因数、电源和线圈内阻,利用互感耦合理论对电能传输系统进行建模分析,给出系统传输功率和效率的计算方法,得出了过耦合范围内随着频率分裂最大功率点和最大效率点的不一致性的结果。最后设计了基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置,实验结果与理论分析具有较好的一致性,证明了理论分析的正确性,也为进一步研究频率跟踪及其优化控制提供了有益的参考。     

磁耦合双模无线电能传输系统研究

磁耦合感应式无线电能传输(MCI-WPT)感应区域传输效率高,而磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)谐振区域传输效率高,为解决两者优势不可兼得的问题,提出磁耦合双模无线电能传输(MCB-WPT),引入转换开关组,实现磁耦合无线电能传输系统拓扑结构可控,使其可工作在MCI-WPT和MCR-WPT双模式下,在一定范围内,实现最佳能量传输。建模分析MCI-WPT与MCR-WPT传输效率与传输距离的关系;提出MCB-WPT方案,建立其传输效率模型,并给出MCB-WPT系统设计方法和控制策略。实验证明,MCB-WPT在感应区域和谐振区域均可获得较高传输效率。     

双中继无线电能传输系统建模及传输效率分析

针对双中继无线电能传输系统,采用互感耦合理论对其进行建模分析,通过理论与仿真相结合的方法,进一步分析系统传输效率与耦合系数及接收线圈匝数之间的关系,对于具体的无线电能传输系统,探讨了不同传输距离下的最优化线圈匝数设计理念,为双中继无线电能传输系统的设计及效率优化方法提供了理论依据。为了验证理论的正确性,本文设计了与仿真系统参数相同的实验系统,更好地验证了理论分析的正确性,即针对确定的无线电能传输系统,存在唯一线圈匝数,使得传输效率最大化。     

DD线圈无线电能传输系统最大效率控制

DD(双D)型耦合机构的无线电能传输(WPT)系统抗偏移能力强,能降低自动引导小车(AGV)泊车控制精度要求。但双发射(Tx)结构增加了系统复杂性。对此,提出了一种DD型耦合机构的最大传输效率控制方法。首先建立了串联-串联(SS)补偿结构的WPT互感模型,利用中心对齐移相脉宽调制(PSPWM)实现多Tx协调控制;接着,针对互感参数识别问题,提出了一种基于磁场抵消的互感比值识别方法,该方法不涉及复杂计算,也不需要引入接收端(Rx)反馈。实验表明所提方法在AGV泊车不同程度偏移的情况下,均能准确识别互感比值,能量传输效率较无控制情况下明显提高。     

面向便携式电子设备的无线电能传输研究

基于耦合模理论研究了强磁耦合谐振技术应用于便携式电子设备无线电能传输的可行性。结合理论分析结果,设计并制作出便携式电子设备大小的平面螺旋电感,构造高品质因数值谐振体。根据系统阻抗随谐振体之间距离变化的特点,设计出4线圈结构的系统拓扑以实现系统阻抗匹配。搭建实验平台,测试系统传输特性,实验结果表明系统在一定距离内传输效果良好,实现了中距离的无线电能传输。证明了系统设计的可行性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统频率跟踪研究

采用SS补偿结构的磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统工作在过耦合区域时的频率分裂现象会导致基于逆变器输出电压和初级电流的频率跟踪方法无法始终跟踪固有谐振频率,从而降低系统的传输效率。在此分析了系统工作在过耦合和欠耦合情况下逆变器输出电压和次级电流的相位关系,设计了采用锁相环(PLL),基于逆变器输出电压和次级电流的频率跟踪实验方案。实验结果表明采用基于逆变器输出电压和次级电流的频率跟踪方法可以在任何互感和负载条件下始终跟踪系统的固有谐振频率而不受频率分裂现象的影响,从而提高系统的传输效率。     

电动汽车无线电能传输系统参数优化研究

双边LCC(DS-LCC)拓扑因其具有不依赖负载的恒流输出特性被广泛应用于电动汽车无线电能传输(WPT)系统,但传统对称参数设计方法并未充分利用其设计自由度高等优势,使系统效率难以进一步提升。针对该问题,在不改变系统主要参数前提下,提出了一种非对称参数设计方法以提升系统效率,即通过改变两个补偿电感配比来重新设计补偿参数,并在此基础上进一步优化补偿电容实现了逆变器软开关,确立了最佳效率点的参数配比。最终通过搭建3 kW实验样机验证了系统可行性,实验结果表明优化后的效率最高达到92.7%,且在全功率范围内,比优化前的系统效率提高了1.3%～1.4%。     

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。     

双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究

电动汽车双向无线电能传输系统以其便利性和互动性,可适用于未来车联网。相比单向系统,双向系统控制自由度多,不同自由度的选取和组合会影响系统中变换器和传输线圈损耗的分布及其大小,进而影响系统的整体效率。因此,如何通过多个控制自由度间的协调组合提升系统整体效率,是双向系统控制的关键性问题。该文首先分析了多个控制自由度间组合关系对变换器运行状态和线圈间传输效率的影响,推导了实现变换器优化运行和线圈间传输效率提升的约束条件。在此基础上,针对上述优化运行条件,对系统各部分损耗及整体效率进行了估算,并提出一种实现双向无线电能传输系统效率优化的多自由度组合控制策略。搭建了相应的仿真和实验平台,实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。与传统控制策略的对比结果表明,所提方法能进一步优化系统运行状态,提升整体效率。     

水下磁耦合式无线电能传输系统建模与分析

针对水下无线电能传输系统的数据采集与信息处理开展了系统研究。对于水下的无线电能传输系统,考虑到了复杂多变的水下环境对电能和信息传输产生一定程度的影响。海洋环境会受到温度、压力等一些环境因素的扰动,因此水下电能传输的介质具有不确定性,会对电能发送端和电能接收端的电磁场耦合产生影响,影响到水下无线电能传输的稳定性,导致海水中的无线电能传输系统的传输功率和传输效率发生改变。为此需要对水下的海洋环境信息进行实时采集,并分析对水下无线电能传输系统的电路参数和传输效率产生的影响。搭建了基于多种传感器的信息搜集与处理系统从而实现实时海洋数据采集,有效解决了水下数据的获取问题,提高了数据采集和数据处理效率。研究了海水的相对磁导率、电导率以及相对介电常数等系统信息和能量传输的影响规律,重点分析了温度和压力对无线电能传输的影响。