Design of electric-field coupled underwater wireless power transfer system based on class E amplifier

针对单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输(electrical-field coupled power transfer,ECPT)系统的输出功率低、谐振容量小、频率漂移大等关键问题,设计一种更适于海水环境下的无线电能传输系统。该系统基于CLC-S调谐网络,综合E类放大器效率高、频率高等优点,实现较大的功率输出。利用Maxwell有限元仿真软件,对海水环境下耦合机构的电容值进行了有限元分析。通过对水下耦合机构进行试验,分析负载品质因数Q、归一化频率μ对水下无线电能传输系统的影响规律,可为水下ECPT系统设计提供参考。     

电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合机构

基于电场耦合原理对水下无线电能传输系统进行建模分析,并简述其基本工作原理。对水下无线电能传输系统的关键部分耦合机构进行重点研究,包括水下耦合机构等效电容值的计算、电场分布情况、传输距离对其影响及功率损耗分析,并与空气中耦合机构进行对比。得出结论如下:(a)水下耦合机构的等效电容值比在空气环境中大,并且不受传输距离的影响;(b)增大工作频率和接收端负载,可以减小耦合机构的损耗。设计水下电场耦合无线电能传输实验系统,验证了上述结论。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统特性研究

在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时,其参数选择对系统传输性能至关重要.对发射与接收端都采用串联电路模型来分析其传输特性,得出系统频率、传输距离和负载电阻与传输功率及传输效率的关系方程.通过仿真发现系统频率的改变对传输功率的作用更为显著,不同的负载电阻对应一个最佳传输距离使得传输功率最大.基于NE555多谐振荡器设计了一套频率可调的无线电能传输装置,通过实验验证了仿真分析的合理性,研究结果可指导磁耦合谐振式无线电能传输系统选择合适的频率、传输距离及负载电阻,使得传输性能较优.     

水下磁谐振式无线电能传输系统的分析与设计

针对水下供电技术中传统接触式密封插头容易在使用中发生磨损导致漏电的问题,基于磁谐振式无线电能传输原理建立了磁谐振式三线圈互感耦合模型。该模型由发射线圈、接收线圈和负载线圈3部分组成,独立的接收线圈具有较高的品质因数,负载线圈单匝绕制有效降低内阻损耗,克服了传统两线圈模型传输性能差和四线圈模型耦合次数多的缺点,提高了传输功率和效率。对海水中高频电磁波的传播特性进行了分析,进一步探究了海水中模型传输功率和效率与三线圈之间传输距离的关系。设计了一个三线圈磁谐振式无线电能传输样机,实验结果表明,在海水中传输距离为12cm时,传输效率可达60%,验证了所提方法的有效性。研究可为今后水下谐振式能量传输技术的应用和优化提供理论支持。     

小功率磁耦合谐振式无线电能传输频率分裂的研究

针对在磁耦合谐振式无线电能传输过程中当传输距离到达一定值后,耦合因数超过临界耦合值而出现的频率分裂问题。利用互感耦合理论和等效电路模型对系统进行建模分析,得出负载电压和传输效率与耦合因数、失谐因子的关系表达式,并对其频率特性进行分析。为了改善系统在过耦合状态出现的负载电压频率分裂问题,采用了在保持其轴向距离不变的前提下,横向移动接收侧线圈的方式。进行了小功率磁耦合谐振式无线电能传输实验,结果表明通过横向移动接收侧线圈,可以有效改善频率分裂的问题,为无线电能传输在现实中应用提供了有效参考。     

磁耦合谐振无线电能传输系统线圈角度偏移的联合仿真

针对在某些特殊环境下无线充电装置的发射线圈与接收线圈产生角度偏移的非线性耦合问题展开研究,依据磁耦合谐振式无线电能传输电路模型,对无线电能传输效率与发射线圈和接收线圈之间的偏移角度的关系进行了分析。使用ANSYS Maxwell仿真软件,建立了多种线圈偏移角度模型,分析了线圈参数,将所创建的线圈偏移角度模型导入ANSYS Simplorer仿真软件,对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行联合仿真。通过研究得出了角度偏移的一种极限曲线,有助于磁耦合谐振式无线电能传输系统的非线性校正和优化。     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振器设计

为提高谐振式无线电能传输系统的工作频率范围并定量化设计谐振器的参数,首先根据谐振式无线电能传输原理,建立电路模型方程,研究了系统传输特性与谐振器线圈参数之间的关系,在指定谐振频率、传输距离、负载和接收功率情况下,实现线圈半径及匝数等参数的选取方法.同时在谐振器参数给定情况下,仿真分析了负载功率、发射线圈电流、传输效率等传输特性随传输距离的变化特性.最终,结合所设计研制的宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过试验对理论推导和仿真计算进行了进一步验证,试验结果与理论分析和仿真结果相吻合.      

基于数字信号处理器的磁耦合谐振式无线电能频率跟踪特性

磁耦合谐振式的传能方式是目前最具发展前景的无线电能传输方式之一。在磁耦合谐振无线电能传输系统中,系统的频率变化对系统效率影响十分明显。为了提高无线电能传输系统的效率,利用DSP锁相原理设计了一套频率跟踪系统,采用基于第一频率校正和后频率相位同校正的频率跟踪方法,解决了系统在高频或频率变化比较大的情况下,频率跟踪缓慢的问题。仿真与实验结果表明:与未加跟踪的系统对比,效率提升明显,系统传输更加可靠。具有频率跟踪的系统有更好的传输性能,以及更高的传输效率。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统在过耦合区域传输效率分析

该文研究了磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统在过耦合区域对等同谐振回路和非等同谐振回路的可实现传输效率。利用等效电路理论建立了MCR-WPT系统的电路模型。通过等效参数与频率、耦合系数的函数关系,分析了频率分裂现象,并推导出频率分裂的闭合方程和等同谐振回路在过耦合区域的传输效率。通过设计环状线圈及相关实验,验证了分析结果与实验结果的一致性。通过数学证明发现,即使在等同谐振回路内出现频率分裂,也可保持传输效率为1个恒定值。研究结果表明,等同谐振回路在MCR-WPT系统过耦合区域可实现高稳定性能。     

磁耦合谐振式无线电能与信号同步传输技术

为解决谐振式无线电能传输系统中存在信号传递问题,提出一种基于载波的数字信号传递方法。通过耦合模理论对系统建模,对电能与信号同步传输特性和效率进行分析。使用可调稳压电路对发射端电压调幅调制,拾取端借助耦合机构对能量进行收集,并利用电压比较电路对信号复原。结果表明:在不更改谐振式无线电能传输系统拓扑结构的条件下实现携能通信,组建实验平台验证本文方法的有效性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统改进

在三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的基础上,改进了系统线圈结构。根据电路互感耦合理论,推导出改进三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统传输功率和传输效率的数学理论表达式,阐述了耦合因数对传输功率与传输效率的影响。应用Or CAD与MATLAB软件对传输系统各个影响因素进行仿真分析,设计并制作了试验平台。仿真与试验结果表明:系统存在最佳功率传输和最佳效率传输,并提高了系统整体的传输距离。     

MRC-WTP系统的滤波器等效模型与阻抗匹配优化

针对传统电路模型中复杂负载的磁耦合谐振式无线电能传输系统分析过于复杂,在实际应用中很难达到最优阻抗匹配而影响电能传输效率的问题,提出一种基于带通滤波器理论的阻抗匹配优化方法。首先,建立一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的带通滤波器等效模型,通过建立模型简化分析过程并得到无线电能传输系统阻抗匹配的直接表达式;然后,根据阻抗匹配对电能传输效率影响的分析,得到复杂负载下的理论最优阻抗匹配,并且揭示了在低品质因数耦合谐振系统中优化电能传输效率的实际设计约束;最后,通过仿真和实验证明本文提出的最优阻抗匹配设计使系统具有更强的适应能力。     

磁耦合无线电能传输频率控制技术研究进展

磁耦合谐振式无线电能传输技术因其可靠性和实用性等优势进而成为近几年的研究热点.当电源频率与发射端和接收端电路的固有谐振频率相同时,系统可以取得较高的传输效率.但系统有时可能会偏离谐振状态,造成传输效率大幅下降.在对频率分裂现象进行研究后,分析了几种抑制频率分裂的方法,并从动态补偿、频率跟踪等方面给出了使得系统恢复谐振频...     

磁耦合谐振式无线电能传输系统中的频率跟踪技术

为解决磁耦合谐振式无线电能传输系统由于失谐导致的输出功率大幅下降的问题,通过对串并式系统等效电路的分析,总结了系统失谐的原因,提出了一种以电压换向点时发送端的电流采样平均值作为调节依据的频率跟踪策略,使系统在发射端形成控制闭环对谐振频率进行跟踪,实现电流电压接近同相位,从而提高系统的功率因数,增大传输功率。接着,把该策略用于实际搭建的串并式无线电能传输系统,实验结果表明,输出功率对于频率变化十分敏感,频率跟踪策略使得输出功率上升了近一倍,这也与仿真结果契合,说明该频率跟踪策略对于无线电能传输系统有实际应用价值。     

大功率磁耦合谐振式无线电能传输系统实验研究

阐述了磁耦合谐振式无线电能传输系统的系统结构、工作原理及其线圈选型。磁耦合谐振式系统具有传输距离比感应耦合式长、传输效率也相对较高等特点,可以实现对电动汽车的大功率、长距离、高效率无线充电,故在电动汽车领域具有良好的应用前景和研究价值。充分发挥电动汽车分布广泛、清洁环保等优点;并通过实验详细测试了所搭建磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输特性,从而验证了磁耦合谐振式无线电能传输系统的正确性和有效性。     

低频磁共振耦合无线电能传输系统补偿电容优化

通过分析磁共振耦合系统在低频状态时的耦合系数、谐振频率、线圈内阻等因素对无线电能传输系统传输效率及输出功率的影响,建立了驱动线圈和负载线圈在非谐振状态下的补偿电容与输出功率、传输效率之间的关系,并推导出了优化的补偿电容的简化计算方法.试验结果表明,文中提出的方法在功率优化和效率优化方面是有效的.     

谐振式无线电能传输系统负载特性的分析与优化

研究谐振式无线电能传输系统的电阻负载特性以及对传输效率和输出功率的优化方案.在耦合系数、工作频率一定的前提下,通过理论推导得到传输效率、输出功率与系统负载关系.研究表明,谐振式无线电能传输系统的最大传输效率与最大输出功率所对应的系统负载之间存在最佳负载值,它是改善系统输出功率和传输效率的有效途径.最后,搭建一个小功率谐振式无线电能传输系统平台,实验结果与理论分析结论相一致.     

磁谐振无线电能传输功率关系及频率失谐分析

为了进一步了解磁谐振无线电能系统参数和传输特性之间的关系以及线圈固有谐振频率失谐和传输特性之间的关系,首先通过能量守恒定律对系统的功率关系进行了分析,接着通过定义线圈的广义失谐因子对磁谐振无线电能传输系统的失谐机理进行了分析,最后通过50 k Hz的无线传输系统对理论分析的正确性进行验证。研究结果表明,在传输距离为20 cm的情况下,当系统失谐时,其传输效率为74.79%,传输功率为271.27 W;当系统谐振时,其传输效率为80.08%,传输功率为285.66 W。磁谐振无线电能传输系统满足复功率守恒,且在线圈的固有谐振频率发生偏移时,其传输效率和传输功率均会降低。     

耦合共振无线电能传输系统最大效率跟踪控制

耦合共振无线电能传输系统发射端与接收端距离小于某一特定值时,共振频率将发生变化,传输效率将大大降低.为了保持接收端实时以最大效率运行,本文提出一种耦合共振无线电能传输最大效率跟踪控制方法.该方法根据耦合共振无线电能传输效率特点引入粒子群优化策略(PSO),通过迭代求解粒子适应度函数,获得全局最优解,实现系统最大效率跟踪控制.研究表明,所提方法能够找到不同距离下最大传输效率对应的系统谐振频率,使无线电能传输系统电能接收端以最大效率运行.     

高效小功率谐振式无线电能传输特性

为研究高效小功率磁耦合谐振式无线电能传输的特性,依据谐振式无线电能传输的原理,构建串串式结构的等效电路模型,并且根据互感理论和基尔霍夫定律等原理,构建无线电能传输特性、传输距离之间的关系,并进行了Matlab仿真与实验对比分析.研究结果表明:传输效率与接收和发射电感、频率和传输距离有关,并详细分析了各个量对传输效率的影响.