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双负载磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈设计

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双负载磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈设计

作者：郑涛南京信息工程大学

学位级别：硕士

磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术具备远程、安全、便捷等优势,在新能源汽车、卫生健康和矿产开采等领域中具有广泛的应用。随着消费电子领域的不断发展,各产品充电适配愈发... 详细信息

磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术具备远程、安全、便捷等优势,在新能源汽车、卫生健康和矿产开采等领域中具有广泛的应用。随着消费电子领域的不断发展,各产品充电适配愈发繁琐且只能单一充电,对多负载进行无线供电的需求也日益迫切。多负载MCR-WPT系统设计的关键在于合理的线圈设计。目前针对多负载系统的研究处于初级阶段,尚未有系统的多负载线圈设计方案。此外,在双负载MCR-WPT系统中,对于接收和发射线圈结构、线圈电感范围确定、线圈电感计算等方面的也缺乏系统化的研究。本文提出了一种双负载MCR-WPT系统线圈的系统化设计理论,主要的研究内容如下:首先,对MCR-WPT理论进行了系统的分析,并对串联-串联(Series Series,SS)、串联-并联(Series Parallel,SP)、并联-串联(Parallel Series,SS)和并联-并联(Parallel Parallel,PP)四种谐振补偿网络结构进行仿真与分析,从而确定本文研究的双负载MCR-WPT系统采用SS型谐振补偿网络。此外,针对圆形-圆形、矩形-矩形和矩形-圆形三种线圈结构进行了电磁分析,并借助Ansys Maxwell软件对各结构的线圈磁场分布强度与线圈偏移时的传输特性分析和比较,从而确定本文的多负载线圈采用矩形-矩形线圈结构。其次,对矩形线圈结构的双负载MCR-WPT系统进行线圈建模。针对矩形线圈结构的双负载MCR-WPT系统,提出了一种确定线圈电感范围的方法,该方法的特点在于:1)两个接收线圈保持相同;2)限制接收线圈电感位于发射线圈电感的0.5倍至1倍之间;3)根据线圈电感与系统功率、效率和环路电流的电路方程关系,确定线圈电感范围,为后续线圈设计奠定基础。为确定电感范围内适合的线圈尺寸,分别通过有限元法(Finite Element Method,FEM)与Greenhouse法计算线圈电感,并建立线圈电感与尺寸及匝数的特性关系。最后,为解决FEM计算线圈电感耗时长、泛化能力差以及Greenhouse法计算线圈电感误差大的问题,提出了一种基于Back Propagation(BP)神经网络与FEM结合的线圈电感计算方法,能迅速准确的获取线圈电感,构建线圈电感与尺寸及匝数的特性关系。根据发射线圈与接收线圈间的尺寸关系,得到满足设计需求的接收和发射线圈的电感与尺寸,实现了能够快速选定电感与尺寸的双负载MCR-WPT系统线圈的设计方法。通过仿真分析与实验验证,证明了本文双负载MCR-WPT系统线圈设计方法的有效性。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输双负载线圈设计 BP神经网络

基于正交DD线圈副边去耦合干扰的双负载无线电能传输系统

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电源学报 2023年第6期21卷 161-167页

作者：夏晨阳任刚韩毅羌颖颜天煜张兆丞中国矿业大学电气工程学院徐州221000

在双负载无线电能传输系统中,副边线圈之间的耦合干扰问题成为制约系统性能的重要因素。为此,提出一种单发射-双接收磁耦合机构,旨在解决两个副边线圈之间的耦合干扰问题,并通过原边线圈的设计实现两个负载获得相同的能量输出。在不采... 详细信息

在双负载无线电能传输系统中,副边线圈之间的耦合干扰问题成为制约系统性能的重要因素。为此,提出一种单发射-双接收磁耦合机构,旨在解决两个副边线圈之间的耦合干扰问题,并通过原边线圈的设计实现两个负载获得相同的能量输出。在不采用屏蔽材料和控制方法的情况下,该机构仅通过线圈结构设计即可实现两个副边线圈的完全解耦。实验结果表明,采用该机构的无线电能传输系统在双负载情况下,两负载互不影响且系统能量传输效率可达88.7%。

关键词：无线充电 DD线圈双负载线圈解耦恒压输出

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双负载磁耦合谐振式无线电能传输系统设计

双负载磁耦合谐振式无线电能传输系统设计

作者：金远凡杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线电能传输技术作为一种新的供电方式逐渐成为研究热点。其中,磁耦合谐振式无线电能传输技术(Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)具有高效率、中等传输距离、对传输介质依赖小等优点,成为主要研究方向。目前... 详细信息

无线电能传输技术作为一种新的供电方式逐渐成为研究热点。其中,磁耦合谐振式无线电能传输技术(Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)具有高效率、中等传输距离、对传输介质依赖小等优点,成为主要研究方向。目前,MCR-WPT技术主要研究集中于“一对一”线圈传输模式,但存在为满足时效性需求的情况下,需要多个接收负载端的应用场景。本文针对双负载接收线圈模式进行分析,当线圈距离改变或负载阻值变化时,会影响系统的输出性能,所以需要设计可靠的控制策略为负载提供稳定电压。首先对比MCR-WPT系统的建模分析理论,选择等效电路理论分别讨论谐振补偿网络结构的优缺点。接着对双负载MCR-WPT系统进行等效传输模型的建立,完成功率和效率公式的推导,通过Matlab来分析得到负载处在不同位置时的功率和效率曲线特性。为了输出电压稳定,设计基于接收端直流变换的闭环控制系统,采用积分分离PID算法进行实时调控直流变换器占空比,实现系统的稳定输出。然后在Matlab/Simulink仿真平台搭建等效电路模型,针对负载变换和耦合系数变换情况进行仿真研究,验证稳压控制策略的可行性。进一步完成双负载MCR-WPT系统的硬件电路设计,主要对逆变电路、直流变换电路、DSP控制等电路进行参数计算和元器件选型。最后,搭建了一台双负载MCR-WPT系统的实验样机,进行效率优化实验和系统输出稳压测试,实验结果显示同理论分析基本相一致。验证了双负载线圈处在同侧对称位置时,系统适当改变接收端电抗处在失谐状态时,能得到更好的系统传输效率;验证了负载变换和耦合系数变换时系统具有较好的输出稳压特性。

关键词：磁谐振式无线电能传输双负载稳压控制参数优化

双负载磁耦合谐振无线电能传输参数设计与频率控制

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双负载磁耦合谐振无线电能传输参数设计与频率控制

作者：王静郑州大学

学位级别：硕士

无线充电的构想由来已久,近年来针对无线充电的研究也越来越多。自从麻省理工的研究团队在两米外点亮一个60瓦的灯泡之后,无线电能传输技术的发展更是突飞猛进。如今,市面上已经出现了无线电能传输的产品,如手机、mp3、笔记本电脑充电器... 详细信息

无线充电的构想由来已久,近年来针对无线充电的研究也越来越多。自从麻省理工的研究团队在两米外点亮一个60瓦的灯泡之后,无线电能传输技术的发展更是突飞猛进。如今,市面上已经出现了无线电能传输的产品,如手机、mp3、笔记本电脑充电器等,虽然这些商品实现了无线充电,但其距电能发射端几乎是零距离。此外,当前人们对无线电能传输技术的研究还大多固定在单发送和单接收的模式之上,随着电子产品的增多,对单发射多接收电能传输模式的需求日益增加。本论文对双负载磁耦合谐振无线电能传输的参数设计和频率控制进行了研究,实现了在一定的传输距离下,发射端稳定高效地给两个接收端供能。主要研究内容如下:1.收发线圈间的角度对双负载无线电能传输性能的影响。本文研究了双负载磁耦合谐振无线电能传输的基本原理,在考虑两个接收线圈之间互感影响的情况下,分析电路模型,讨论了影响系统效率和功率的主要因素。研究发现,在收发线圈非同轴,即其同时存在轴向距离和径向距离的情况下,合适的角度会增强收发线圈之间的互感,使系统的传输性能更佳。2.基于能量流动规律研究双负载无线电能传输系统的结构。利用电路原理,通过使两个接收端解谐,引入反射阻抗寻找接收端能量的来源,推导出系统的能量流动规律—反射电阻吸收的能量即为两接收端获取的能量。并根据此能量流动规律,对接收端不同负载情况进行了讨论,最终确定了不同负载下系统的结构。3.提出一种改进的人工蜂群算法。人工蜂群算法具有较强的勘探能力,但局部开采能力弱。本文利用正弦函数实现跟随蜂阶段的自适应邻域搜索,加快了算法的收敛速度,并针对算法后期易陷入局部最优的问题,利用带扰动的Tent序列防止算法早熟,从而改善其全局寻优能力。4.基于改进人工蜂群算法的系统参数设计。针对双负载磁耦合谐振无线电能传输耦合性强,参数确定困难的问题,首先建立了系统的非线性规划模型,然后利用人工蜂群算法在满足接收端传输距离和传输功率的情况下,寻找系统的参数组合尽可能使得系统的传输效率最大,优化其传输性能。5.基于变论域模糊控制器和电容阵列的频率控制。分析系统失谐的原因及收发端失谐对系统性能的影响,发现发射端的频率稳定是系统高效传能的关键。本文提出一种变论域模糊控制器对发射端的频率进行控制。变论域模糊控制具有自适应的论域间隔,因而可更精确地控制发射端频率;进一步提出非线性级联线性的方法设计电容阵列,利用非线性电容阵列粗调,线性电容阵列细调,维持发射端频率的恒定。实验证明,该方法不仅减小了系统的后续震荡,而且减少了闭合开关的数目,扩大了频率控制的范围,使系统性能更优。

关键词：双负载能量流动参数优化失谐频率控制

一种用于双负载重力货架自动存取系统的排序方法(英文)

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Journal of Southeast University(English Edition) 2015年第1期31卷 31-37页

作者：陈竹西李小平东南大学计算机科学与工程学院南京211189

重力货架自动存取系统的双提取操作排序问题等价于在一组提取货物中进行两两配对以生成最小执行成本的双提取操作序列,因此双提取操作排序问题被建模为一个匹配问题.提出一个基于匈牙利方法的启发式方法 RSHM来生成具有最小总行驶时间... 详细信息

重力货架自动存取系统的双提取操作排序问题等价于在一组提取货物中进行两两配对以生成最小执行成本的双提取操作序列,因此双提取操作排序问题被建模为一个匹配问题.提出一个基于匈牙利方法的启发式方法 RSHM来生成具有最小总行驶时间的双提取命令.为了保证生成可行的双提取操作序列,对称标记法被引入RSHM;为了打破对称标记法引起的无限循环,RSHM被设计成一个递归过程.仿真实验对双负载装卸设备的成本效益和RSHM的性能进行了评价和分析.仿真实验结果显示：与单负载设备相比,采用双负载装卸设备可以节省超过40%的提取操作总行驶时间;与贪婪规则相比,RSHM能够减少5%~10%的总行驶时间.

关键词：双负载排序重力货架自动存取系统(AS/RS)

考虑接收侧线圈交叉耦合的双负载无线电能传输系统最大效率实现方法研究

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考虑接收侧线圈交叉耦合的双负载无线电能传输系统最大效率实现方...

作者：王登辉华南理工大学

学位级别：硕士

磁场耦合式无线电能传输系统具有传输距离远、高效、安全等特点,受到了越来越多的关注。近年来,国内外众多学者已对单负载无线电能传输系统进行了大量研究,为其商业化应用奠定了理论基础。然而,单负载系统无法满足对多台设备同时进行无... 详细信息

磁场耦合式无线电能传输系统具有传输距离远、高效、安全等特点,受到了越来越多的关注。近年来,国内外众多学者已对单负载无线电能传输系统进行了大量研究,为其商业化应用奠定了理论基础。然而,单负载系统无法满足对多台设备同时进行无线电能传输的要求,因此多负载系统成为目前无线电能传输技术的研究热点之一。多负载系统一般采用多个接收线圈,在实际应用中,接收线圈之间极易存在交叉耦合,影响系统的传输效率。减小接收侧线圈之间交叉耦合带来的影响并实现系统最大效率传输,是多负载无线电能传输技术亟待解决的关键问题。为此,本文以双负载无线电能传输系统为研究对象,探明了交叉耦合和等效负载对系统效率特性的影响,并提出了消除交叉耦合同时实现系统最大效率传输的方法。本文的主要研究内容如下:（1）建立了双负载无线电能传输系统的数学模型,并推导了其效率表达式。在此基础上,详细分析了接收侧线圈之间的交叉耦合和等效交流负载对双负载无线电能传输系统效率特性的影响。分析表明,交叉耦合的存在会降低系统效率,同时还发现对于消除交叉耦合的双负载系统,存在最优负载使得传输效率最大。（2）针对双负载无线电能传输系统中存在的交叉耦合问题,提出了利用电容补偿来消除交叉耦合的方法,并详细分析了其解耦补偿的原理。在此基础上,进一步分析了双负载无线电能传输系统实现最大传输效率的负载条件。（3）提出了一种通过调节接收侧PWM整流器输入电压电流的幅值和相位来实现电容补偿和最优等效负载匹配的方法。相较于现有使用固定补偿、阻抗匹配网络或者多频能量传输的方法,本方法不需要改变硬件参数,仅通过调节PWM整流器控制参数便可以在实现解耦的同时使系统工作于最大效率点,具有简单、灵活性高的优点。（4）详细分析了双负载无线电能传输系统的设计方法,给出了系统的设计参数,搭建了实验样机。实验结果表明,所提方法能有效消除接收侧线圈之间的交叉耦合,同时使系统工作于最大效率点,与使用不控整流的双负载系统相比,传输效率得到了明显的提高,验证了所提出方法的正确性和有效性。

关键词：无线电能传输双负载交叉耦合电容补偿 PWM整流器

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面向双负载的高频无线充电系统研究

面向双负载的高频无线充电系统研究

作者：李方哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代电力电子技术的飞速发展,高频化、集成化、智能化、无线化已经成为现代工业和电子等消费产业的追求目标。无线化功率电源,可以有效减少电源线的连接,提高电源的密封特性,具有防水防尘等效果,从而在很多应用场合取得非常好的效果,比... 详细信息

现代电力电子技术的飞速发展,高频化、集成化、智能化、无线化已经成为现代工业和电子等消费产业的追求目标。无线化功率电源,可以有效减少电源线的连接,提高电源的密封特性,具有防水防尘等效果,从而在很多应用场合取得非常好的效果,比如深海作业、机器人关节供电、电子消费产品等。目前单负载无线电能传输技术已经在很多场合取得了非常好的应用效果,但是对于双负载以及多负载无线传输技术尚在起步阶段,尤其是高频多负载的无线充电系统研究,具有很好的发展前景和开发价值。本课题正是基于此研究背景,开展了对13.56MHz双负载无线充电系统的研究。本文给出了高频逆变器和整流器的分析推导方法,保证了系统在高频化可以实现软开关特性,提高了系统的响应特性和传输效率。同时,本文还详细分析了几种有效的补偿网络,在实现较高传输效率的同时,具有抗负载扰动和抗耦合系数扰动的效果,保证了系统稳定的输出电压增益。另外,为了实现双负载无线充电系统的正常工作,对单负载和双负载的耦合状态以及工作原理进行分析,给出了单双负载的工作状态表达式。最后通过仿真和实验结果,验证所提双负载无线充电系统的可行性和合理性。同时,为了提高系统的鲁棒性,本课题在所设计的无线充电电路后级引入了一个高频Boost电路环节,有效保证负载接收到的电压增益稳定性,可以实现接收端电压自闭环效果,解决了负载竞争的问题。除此之外,为了进一步保证输出电压的稳定性,系统还引入了基于蓝牙通信的通讯环节设计,保证能量的发射端和接收端可以有效通讯,从而实现整个系统的闭环,进一步提高了系统的工作稳定性。本课题设计并搭建了一款输入5V、额定输出5V/0.5W,工作频率13.56MHz的双负载无线充电系统实验样机,测试结果与预期指标吻合,系统在负载和耦合系数的扰动因素下,均可以维持稳定的电压增益,具有很好的抗负载和抗耦合扰动效果,且支持单双负载的切换工作。

关键词：无线化高频化双负载负载无关耦合系数无关蓝牙通信

用于家用电器的双负载无线电能传输系统的研究

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用于家用电器的双负载无线电能传输系统的研究

作者：雷阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，简称WPT）与传统的供电方式相比，具有安全性、便捷性、兼容性等优点，因此具有较大的研究价值与广阔的应用前景。随着技术不断发展，无线电能传输的方式不断丰富，包括电磁感应式（IPT）... 详细信息

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，简称WPT）与传统的供电方式相比，具有安全性、便捷性、兼容性等优点，因此具有较大的研究价值与广阔的应用前景。随着技术不断发展，无线电能传输的方式不断丰富，包括电磁感应式（IPT）、电磁共振式（MR-WPT）、电磁辐射式（MPT）等多种无线电能传输方式得到了发展与应用。近年来，无线电能传输技术在生物医学、电动汽车、家用电器等众多领域均有不俗的贡献。本文集中于电磁感应式无线电能传输技术在中等功率家用电器上的应用，重点针对双负载无线电能传输（DIPT）系统设计及其传输特性进行研究。本文首先利用互感模型建立等效电路，通过理论推导，得出了不同谐振补偿结构下反应DIPT系统传输特性的相关指标，具体包括反映阻抗、功率传输能力、传输效率、频率分叉临界条件。利用OrCAD与MATLAB软件，对各参数对系统传输特性的影响规律进行了探讨，具体包括耦合系数、双负载阻值、工作频率等，同时分析了IPT系统从单负载模式切换到双负载模式的稳态变化情况。其次，完成了DIPT系统设计工作，具体包括硬件电路设计（逆变电路、吸收回路等）;磁耦合机构设计：通过仿真分析选择了合适的补偿结构，利用Ansoft Maxwell对线圈结构进行了优化设计。最终得到了工作频率在60kHz附近，双负载输出功率均为700W左右，效率最高可达92%的实验装置。结合仿真结果，通过一系列特性实验验证了DIPT系统的传输特性，具体包括变负载特性实验、侧移特性实验、单双负载对比实验。仿真结果与实验结果所呈现的传输功率和效率随负载、耦合系数等参数的变化规律基本一致。此外，本文利用MATLAB仿真与实验方法研究了IPT系统电机负载特性，对无线电能传输技术在家用电器上的应用进行了扩展。最后，对DIPT系统的功率协调控制方式进行了探讨，通过OrCAD仿真和实验验证相结合的方式对变载、变频、电容调节三种方式进行了可行性分析。结果显示了电容调节方式在理论上对双负载功率协调有一定的调节功能。

关键词：无线电能传输双负载频率分叉传输特性功率协调

带双负载运行的VIENNA整流器中点电压平衡控制

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农业装备与车辆工程 2019年第4期57卷 55-58页

作者：武汉林朱强上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市200093 上海电动工具研究所(集团)有限公司上海市200031

针对VIENNA整流器结构固有的中点电压波动问题,可以通过双负载结构中调整负载的大小来观察。文章分析了三相VIENNA整流器的工作原理,采用一种电压电流双环结构,空间矢量调制(SVPWM)方式控制运行。针对三电平结构固有中点电压波动问题,... 详细信息

针对VIENNA整流器结构固有的中点电压波动问题,可以通过双负载结构中调整负载的大小来观察。文章分析了三相VIENNA整流器的工作原理,采用一种电压电流双环结构,空间矢量调制(SVPWM)方式控制运行。针对三电平结构固有中点电压波动问题,通过调节正负小矢量的作用时间,能够达到双负载在大小不同的情况下,直流电压稳定,中点电压平衡的效果,最后使用MATLAB/Simulink仿真证明了此方案的可行性。

关键词： VIENNA整流器中点电压平衡双负载空间矢量调制