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磁耦合谐振式无线电能传输系统频率复合控制方法

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电机与控制学报 2020年第2期24卷 63-71页

作者：刘帼巾白佳航崔玉龙白新雷李志刚李义鑫河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130 北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 国网河北省电力有限公司电力科学研究院石家庄050021 东风汽车股份有限公司武汉430056

频率的稳定及精确控制是磁耦合谐振式无线电能传输系统高效稳定运行的基础。提出一种基于PI锁相环频率跟踪控制和动态补偿调谐相结合的频率复合控制方法,实现了常规频率控制方法无法同时实现的大范围、高精度和快速频率调节。首先,根据... 详细信息

频率的稳定及精确控制是磁耦合谐振式无线电能传输系统高效稳定运行的基础。提出一种基于PI锁相环频率跟踪控制和动态补偿调谐相结合的频率复合控制方法,实现了常规频率控制方法无法同时实现的大范围、高精度和快速频率调节。首先,根据建立的磁耦合谐振式无线电能传输系统数学模型,从原理上分析发生频率失谐的原因,给出了合理的频率失谐检测方法,并分析了系统等效阻抗角与谐振频率之间的对应关系;建立频率跟踪控制与动态补偿调谐的数学模型,以计算并确定锁相环PI参数及动态补偿参数;随后进行仿真并搭建试验平台验证,仿真结果表明该方法对谐振频率的调节速度快、精度高,试验结果验证该方法可以实现谐振频率的快速跟踪,保证系统工作在谐振状态。

关键词：磁耦合谐振式频率失谐频率复合控制频率跟踪动态补偿调谐

磁耦合谐振式无线传能系统输出电压GSSA-MPC控制

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控制工程 2022年第1期29卷 114-120页

作者：陈伟华邢鹏亮闫孝姮辽宁工程技术大学电气与控制工程学院辽宁葫芦岛125000

针对磁耦合谐振式(MCR)无线传能系统中负载变化引起输出电压实时调节的需求,以全桥LCCL系统为研究对象,提出了一种基于状态方程的模型预测控制器(GGSAMPC)。通过广义状态空间平均法(GSSA)对全桥LCCL系统建立等效电路方程并将原副边电压... 详细信息

针对磁耦合谐振式(MCR)无线传能系统中负载变化引起输出电压实时调节的需求,以全桥LCCL系统为研究对象,提出了一种基于状态方程的模型预测控制器(GGSAMPC)。通过广义状态空间平均法(GSSA)对全桥LCCL系统建立等效电路方程并将原副边电压电流进行傅里叶变换,建立了MCR系统的动态状态空间模型;为了加快求解速度,将控制器中的最优化问题转化为求解极小值的二次规划问题,利用有效集法求解有约束问题的二次规划。通过搭建仿真电路,在80k Hz频率下将负载值从50Ω变为25Ω,将GSSA-MPC控制器与经典PID控制器进行对比,仿真结果表明模型预测控制输出更为平滑、鲁棒性更好、调节时间比PID控制缩减0.5 ms,控制精度提高0.4%,GSSA-MPC为磁耦合谐振式系统输出电压的调节提供了一种有效的方法。

关键词：广义状态空间平均法磁耦合谐振式模型预测控制电压控制优化求解

磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法研究

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电源学报 2023年第6期21卷 102-110页

作者：张杰赵航许知博周磊杨磊张元启国网咸阳供电公司咸阳712000 西安理工大学电气工程学院西安710048

在实际应用中,无线电能传输系统两耦合线圈之间的相对位置变化会使系统参数发生改变,导致系统处于失谐状态,电能传输效率降低。针对系统失谐问题,提出了一种变电容调谐控制策略,通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容,调... 详细信息

在实际应用中,无线电能传输系统两耦合线圈之间的相对位置变化会使系统参数发生改变,导致系统处于失谐状态,电能传输效率降低。针对系统失谐问题,提出了一种变电容调谐控制策略,通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容,调制等效电容值与线圈感抗满足谐振条件,从而使系统始终处于谐振状态,可使系统发射端线圈和接收端线圈之间的传输效率达到最高。建立仿真模型,搭建基于串联-串联型谐振补偿拓扑结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统实验样机,进行了变电容调谐控制实验。实验结果表明,在谐振频率为100 kHz、输入电压为20 V的情况下,样机能够实现无线电能稳定可靠传输,证明了该变电容调谐控制方法的有效性。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输系统失谐变电容调谐

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磁耦合谐振式无线电能传输系统功率优化

工矿自动化 2016年第6期42卷 33-37页

作者：田子建曹阳阳樊京杜欣欣中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 南阳理工学院电子与电气工程学院河南南阳473004

以互感理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统原理,介绍了阻抗匹配理论及相应的参数计算方法,提出将收、发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,建立了含有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统模型。仿真结果验证了在相同... 详细信息

以互感理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统原理,介绍了阻抗匹配理论及相应的参数计算方法,提出将收、发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,建立了含有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统模型。仿真结果验证了在相同的条件下,具有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统可有效提高负载功率。

关键词：无线电能传输系统磁耦合谐振式阻抗匹配

磁耦合谐振式无线电能传输系统传输损耗的研究

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电测与仪表 2022年第8期59卷 92-96,154页

作者：毕鲁飞张文杰吝伶艳秦伟宋建成太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室太原030024

相比于传统的有线充电,无线充电是一种更加方便和可靠的充电方式,在电动汽车、生物医学等领域具有较为广泛的应用前景。然而传输效率的低下却限制了无线电能传输技术的进一步推广。磁耦合谐振式做为一种最主要的无线电能传输技术,其主... 详细信息

相比于传统的有线充电,无线充电是一种更加方便和可靠的充电方式,在电动汽车、生物医学等领域具有较为广泛的应用前景。然而传输效率的低下却限制了无线电能传输技术的进一步推广。磁耦合谐振式做为一种最主要的无线电能传输技术,其主要由高频电源,补偿结构,磁耦合结构以及整流滤波四部分构成。目前磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率分析时大多仅考虑磁耦合结构的损耗,对系统中高频电源以及整流滤波的损耗考虑欠少。文章在预定效率以及恒功率条件下计算磁耦合谐振式无线电能传输系统中各部分损耗与互感之间的关系,寻求满足系统要求的互感值。最后设计了一套传输功率为1000 W,传输效率为85%的磁耦合谐振式无线电能传输系统,实验结果表明文中的损耗计算方法具有较高的准确性。研究结果为无线充电系统分析及性能改善起到积极推动作用。

关键词：磁耦合谐振式预定效率损耗计算互感值

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磁耦合谐振式无线电能传输系统设计实验分析

科技通报 2015年第2期31卷 85-87,91页

作者：刘新竹武昌工学院信息工程学院武汉430465

设计了一种小功率强磁耦合全谐振无线电能传输系统,系统由高频逆变电路、谐振耦合模块、高频整流滤波等组成。发射线圈和接收线圈在1MHz固定频率下自谐振,可以对间距70 cm范围内的负载提供能量。通过实验分析了电磁耦合谐振无线电能传... 详细信息

设计了一种小功率强磁耦合全谐振无线电能传输系统,系统由高频逆变电路、谐振耦合模块、高频整流滤波等组成。发射线圈和接收线圈在1MHz固定频率下自谐振,可以对间距70 cm范围内的负载提供能量。通过实验分析了电磁耦合谐振无线电能传输主要参数包括两谐振线圈间的系统能量随时间变化情况、发射线圈与接收线圈在水平错位时对传输效率的影响、谐振线圈空间距离D对功率、效率的影响。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输效率

磁耦合谐振式无线电能传输频率特性及频率跟踪方法研究

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磁耦合谐振式无线电能传输频率特性及频率跟踪方法研究

作者：袁扬湖南工业大学

学位级别：硕士

近些年来人类对电能的使用越来越广泛,电能虽然给人类带来了无限的便利性,但是传统的有线接触式的电能传输方式存在着接触损耗,尖端放电以及线路老化等弊端,这些因素也给人们在使用电能时带来了许多的安全隐患。更重要的是,在一些特殊... 详细信息

近些年来人类对电能的使用越来越广泛,电能虽然给人类带来了无限的便利性,但是传统的有线接触式的电能传输方式存在着接触损耗,尖端放电以及线路老化等弊端,这些因素也给人们在使用电能时带来了许多的安全隐患。更重要的是,在一些特殊的场合中,有线供电的方式不符合这些特殊场合的要求。因此,无线电能传输技术（MCR-WPT）应运而生并逐渐受到了人们的青睐。无线电能传输相比于有线供电,其优势在于避免了磨损及电火花等问题,但其劣势是传输性能易受参数及环境变化影响。为了探究参数或环境变化时对系统性能的影响,本文针对现实中应用的较多的串串型两线圈和三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统进行频率特性及频率跟踪方法方面的研究。其中对于频率特性的研究可以得知当外界环境或参数变化时会对系统产生什么样的影响,对于频率跟踪方法的研究可以解决当系统由于外界环境或参数变化导致系统失谐时系统性能下降的问题。本文的研究内容主要包括以下几个方面:首先,根据MCR-WPT系统的传输机理,利用互感理论建立了电路模型,推导了各种拓扑结构的MCR-WPT系统的补偿电容值的表达式,选定了串串型拓扑结构作为研究对象。其次,对目前应用最多的两线圈MCR-WPT系统的频率特性进行了研究。虽然目前对于两线圈MCR-WPT系统频率特性的研究层出不穷,但大多数研究停留在负载变化或传输距离的改变上,对于系统的补偿电容改变时系统频率特性如何变化还鲜有研究,因此本文研究了在补偿电容变化时系统的频率特性,推导了谐振频率的计算公式,以及谐振频率与效率和输出功率的表达式,并利用MATLAB进行仿真分析,随后更是建立了一套完整的实验装置来验证计算和仿真的正确性,很好地揭示了补偿电容变化时对系统频率特性的影响。再次,在两线圈MCR-WPT系统频率特性的基础上,研究了加入一个中继线圈时的三线圈MCR-WPT系统的频率特性。三线圈结构较之两线圈结构有着更高的效率和传输功率,但是目前对于三线圈系统的应用还不太广泛,对于其频率特性的研究更是较少。因此本文研究了三线圈MCR-WPT系统在几种典型的线圈位置发生改变时系统的频率特性,同样推导了其谐振频率的计算公式,以及谐振频率与效率和输出功率的表达式。随后利用MATLAB仿真来验证计算公式的正确性,并开发了一套三线圈MCR-WPT系统实验装置来验证仿真以及计算的正确性,仿真和实验结果基本上一致,并且通过仿真和实验可以看出在哪几种线圈位置变化时对系统的谐振频率以及效率和功率影响较大,这对于三线圈MCR-WPT系统同时获得高功率和高效率具有指导性的意义。最后,对于目前应用较多的基于锁相环的MCR-WPT系统频率跟踪方法进行了研究,并通过Simulink搭建了整个系统的仿真模型,仿真的结果显示了该方法可以在发射线圈或接收线圈补偿电容发生变化时使发射端输入电压和电流谐振,并且可以自动追踪到系统最新的谐振频率,使系统自动处于谐振状态。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输两线圈结构三线圈结构频率特性频率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输系统中效率跟踪和功率控制的研究

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磁耦合谐振式无线电能传输系统中效率跟踪和功率控制的研究

作者：路佳锋北京邮电大学

学位级别：硕士

磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术由于传输效率高、输出功率大以及中远距离传输等优点而受到国内外越来越多的关注并被广泛应用。然而在实际应用中仍存在一些问题,比如在... 详细信息

磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术由于传输效率高、输出功率大以及中远距离传输等优点而受到国内外越来越多的关注并被广泛应用。然而在实际应用中仍存在一些问题,比如在充电过程中负载的变化以及充电设备相对位置的变化会都影响系统传输效率以及输出功率,从而导致系统传输性能下降。因此,如何实现系统在耦合系数和负载变化时的稳定输出,成为当前MCR-WPT系统中亟待解决的关键问题。针对上述问题,本文选取串联-串联结构的两线圈系统作为研究对象,从提升系统传输效率和输出功率两方面展开研究,本文的主要研究工作如下:1、MCR-WPT系统性能分析:为了提升系统传输性能,首先根据电路理论建立了系统等效电路模型,推导了系统传输效率和输出功率的表达式以及工作在最佳传输状态时对应的负载值,得出系统传输性能与负载有关,而最佳负载与耦合系数有关,因此当耦合系数或负载发生变化时会导致系统传输性能发生变化。然后分析了系统参数对系统传输性能的影响,重点对耦合系数和负载两个参数进行分析。最后对阻抗匹配技术进行研究,提出了基于阻抗匹配的系统性能提升方法。2、基于模糊控制的最大效率跟踪:针对系统工作过程中由于耦合系数或负载的变化导致系统传输效率下降的问题,提出了基于模糊控制的最大效率跟踪,通过动态调整DC/DC转换器的占空比,将系统等效负载转换为最大效率点所对应的最佳负载,实现了系统的最大效率传输。并与基于扰动观察的最大效率跟踪进行了对比,验证了所提方法的优越性。同时由于系统在最大效率跟踪过程中会导致系统输出电压发生变化,通过移相控制实现了输出电压的稳定。3、基于阻抗匹配的系统功率控制:首先通过最大功率跟踪实现了系统在耦合系数或负载变化时的最大功率传输,然后通过阻抗匹配技术实现了电源的最大功率输出,并对阻抗匹配算法以及匹配网络的设计进行了研究,提出了系统双端匹配的方法从而进一步提升了系统的输出功率。最后搭建实验平台对所提方案进行验证,为提升系统传输性能奠定了理论基础。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输阻抗匹配效率跟踪功率控制

磁耦合谐振式无线电能传输系统设计及恒压控制策略的研究

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磁耦合谐振式无线电能传输系统设计及恒压控制策略的研究

作者：李志超天津理工大学

学位级别：硕士

随着人们对便捷充电方式的需求,无线电能传输方式获得了越来越多的关注。磁耦合谐振式无线电能传输方式以其传输距离远,传输功率高等优点,得到了广泛的应用研究。但是该方式容易受到系统参数变化的影响,输入电压、负载、距离的变化都会... 详细信息

随着人们对便捷充电方式的需求,无线电能传输方式获得了越来越多的关注。磁耦合谐振式无线电能传输方式以其传输距离远,传输功率高等优点,得到了广泛的应用研究。但是该方式容易受到系统参数变化的影响,输入电压、负载、距离的变化都会使传输性能发生改变,降低充电的可靠性,而在实际应用场合下,系统参数的变化又是不可避免的。同时,磁耦合谐振的传能方式需要搭载高频的逆变电路,其性能的优劣直接影响了系统的输出性能。本文通过对复合谐振补偿拓扑和系统控制策略的研究,实现了系统的恒压输出特性,并对E类功率放大电路进行了仿真设计,实现了高效高频逆变的功能。主要研究工作如下:分析了无线电能传输系统的典型拓扑结构,并通过耦合模理论和电路理论对串联-串联拓扑进行了研究,阐述了其输出电压、输出功率和传输效率对系统参数变化较为敏感的弊端。由此,引入了LCL-S复合拓扑,对拓扑结构进行了分析,并对参数进行了设计。搭建了Simulink仿真模型,对拓扑本身的频率特性、距离特性和负载特性进行了研究,验证了该拓扑原边具有恒流输出特性,副边输出电压具有负载无关性。利用ADS软件对频率为85k Hz的E类功率放大电路进行了仿真设计,研究了电路的工作原理和参数设计方法,通过仿真结果验证了设计的可行性。接着,利用ANSYS软件对能量耦合线圈进行了参数的优化设计,应用控制变量方法确定参数的取值范围和参数的最优取值。然后,对整流滤波电路和直流变换电路进行了分析。通过对无线电能传输系统控制位置、控制方法的比较分析,提出了原边LCL拓扑与副边Buck变换电路结合的恒压控制策略。原边电路利用了LCL拓扑的恒流特性,副边通过PI反馈控制调节Buck电路的占空比,不仅实现了系统输出电压的恒定,而且简化了控制设计。通过Simulink仿真对比分析开环模型和闭环模型,证明了所提出的控制策略在直流输入、互感、负载改变的情况下,可以维持输出电压稳定在设定值。搭建了一个小功率的磁耦合谐振式无线电能传输的实验平台,对拓扑特性、E类功率放大电路、恒压控制策略进行了实验验证。实验结果表明,所设计的E类功率放大电路能完成高频逆变工作,所提出恒压控制方法可以在一定参数变化范围内实现恒压控制。

关键词：无线电能传输磁耦合谐振式拓扑分析 E类功率放大电路恒压控制