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电动汽车无线供电系统电能发射与接收线圈的研究

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电动汽车无线供电系统电能发射与接收线圈的研究

作者：左少林上海电机学院

学位级别：硕士

随着可开发利用的化石能源越来越少,环境污染日益严重等问题的产生严重影响了人类社会的发展,造成环境污染主要原因之一便是汽车尾气排放,为解决这一问题,各国政府开始号召使用新能源汽车,来减少汽车尾气排放对环境造成的污染。在新能... 详细信息

随着可开发利用的化石能源越来越少,环境污染日益严重等问题的产生严重影响了人类社会的发展,造成环境污染主要原因之一便是汽车尾气排放,为解决这一问题,各国政府开始号召使用新能源汽车,来减少汽车尾气排放对环境造成的污染。在新能源汽车领域,关于电动汽车的发展最为引人注目,因为汽车现在已经成为家庭的主要交通工具,与人们的生活息息相关。最近几年,电动汽车技术发展迅猛,但绝大多数电动汽车的充电方式依然采用电缆插线式充电,即接触式充电。这种充电方式存在很多弊端,譬如充电时间长、受充电地点限制、充电设备磨损大、存在一定的安全隐患等。除此之外,电动汽车车载旧电池不仅自身重量较大,而且由于老化更换造成新的环境污染依然严重,这些缺点也越来越影响人们的用车体验,受到人们广泛关注。为了解决当前电动汽车的种种缺点,许多科研人员从电磁感应耦合能量传输（Inductive Coupled Power Transfer,ICPT）的技术角度出发,利用其原理将电网中的电能通过不接触方式传递到汽车内,实现电动汽车的运行。这样便可以解决接触式充电的诸多弊端。本文主要研究电动汽车在动态充电过程中出现的问题,当在使用的电能发射线圈为分段级联式时,车载能量获取线圈在导轨级联处出现互感下降导致的电压和充电效率降低问题进行深入研究,在已有研究的基础上提出一种四阶梯形相嵌式电能发射线圈结构,并结合理论对该结构优化改进,对设计方案进行大量软件仿真实验以及实验验证。基于COMSOL Multiphysics电磁仿真软件和MATLAB运算软件,对矩形车载能量获取线圈在运行域和切换域之间进行电磁联合仿真,通过理论计算得到切换域补偿线圈与运行域线圈之间的匝数比,通过仿真软件搭建3D仿真模型,不断优化调整参数结构,将实验得到的互感值与磁场分布进行对比分析,从而得到最优的理论模型;在此基础上,对能量获取线圈的大小与能量获取效率之间进行深入研究,得到最优的能量获取线圈参数,并针对该种能量获取线圈仿真得到横向偏移容忍度以及整个供电系统效率。最后对所研究对象进行实验验证。搭建与仿真参数一致的实验平台,测试能量获取线圈的电压和电流,计算无线供电的效率并与已有的研究结果进行对比。实验结果表明本文设计的四阶梯形相嵌式电能发射线圈以及矩形车载能量获取线圈有较好的可行性与实用性。

关键词：电动汽车无线供电系统电能发射线圈能量获取线圈

巡检设备无线供电系统耦合机构无源屏蔽与磁集成研究

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巡检设备无线供电系统耦合机构无源屏蔽与磁集成研究

作者：魏博龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在无线电能传输系统（Wireless Power Transfer, WPT）中，为了降低系统漏磁水平，往往需要在特定区域引入漏磁屏蔽装置。其中，如无源屏蔽线圈等屏蔽装置产生屏蔽磁场，对耦合机构的空间磁场分布产生影响。与屏蔽磁场与耦合磁场分布在... 详细信息

在无线电能传输系统（Wireless Power Transfer, WPT）中，为了降低系统漏磁水平，往往需要在特定区域引入漏磁屏蔽装置。其中，如无源屏蔽线圈等屏蔽装置产生屏蔽磁场，对耦合机构的空间磁场分布产生影响。与屏蔽磁场与耦合磁场分布在不同路径时相比，屏蔽磁场与耦合磁场分布在同一路径时会抵消掉相当数量的耦合磁通，造成耦合性能的下降。因此，本文针对应用于吊轨式巡检设备的WPT系统，对屏蔽磁场与耦合磁场同路径分布时的无源屏蔽方式进行研究，以提升耦合机构的耦合性能;同时由于应用于吊轨式巡检设备的 WPT 系统采用单发射-双接收的构型并且切换工作在两个谐振频率下，接收端为交替拾取能量引入了并联解耦电路，因此对额外增加的补偿电感的磁集成设计方法进行研究，以避免流经并联解耦电路电流过大导致的补偿电感体积重量急剧增加问题。　　首先，研究了单发射-双接收WPT系统的工作原理，并根据双频切换和接收端交替拾取能量的原理，确定了单发射-双接收WPT系统的具体拓扑;从双频参数设计、发射端参数设计和接收端参数设计三个方面分析了系统参数对系统性能的影响，总结出了参数的影响规律，为系统的参数设计提供理论指导;搭建了单发射-双接收WPT系统仿真模型，通过仿真验证了单发射-双接收WPT系统的工作原理以及系统参数对系统性能的影响。　　其次，研究了屏蔽磁场与耦合磁场同路径分布时的屏蔽特点，提出了空间磁场在不同区域处应满足的理想分布情况，并提出了实现理想磁场分布的两种方法;以上述磁场理想分布情况和两种实现方法为指导，提出了组合线圈屏蔽方式，分析了Halbach线圈屏蔽方式的缺点，在此基础上提出了改进的Halbach线圈屏蔽方式，解决了 Halbach 线圈屏蔽方式的部分缺点，但同时由于结构的改动引入了新的问题;在改进的Halbach线圈屏蔽方式基础上在局部位置处加入磁心，提出了混合屏蔽方式，分析了混合屏蔽方式在耦合性能提升，屏蔽性能提升和空间磁场分析复杂程度三个方面的性质，针对每条性质给出了理论解释并进行了仿真验证。　　之后，提出了空间嵌套型集成电感线圈构型，并与DD型集成线圈进行对比，从解耦、漏磁分布影响和磁心饱和三个方面分析了两种集成线圈的优缺点;结合接收端补偿电感参数设计的理论依据，从自感实现角度进行了空间嵌套磁集成的设计，并对其解耦性能进行了进一步的仿真验证。　　最后，针对上述所提混合屏蔽型嵌套集成式耦合机构，分析了不同线圈间的互感与接收线圈拾取能量的关系，为耦合机构整体参数的设计提供理论指导;针对无磁心影响线圈间互感计算，分析了基于 Biot-Savart 定律的矩形线圈间互感计算公式;针对受磁心影响线圈间互感计算，提出了等效传输距离折算法和互感比值折算法两种半解析的计算方法;研制了混合屏蔽型嵌套集成式耦合机构实验平台，验证了双频C-LCC补偿网络的补偿效果，分析了主屏蔽线圈感应电流与发射电流的相位关系，以及进行了无屏蔽装置、仅含主屏蔽线圈和含混合屏蔽装置的对比实验，验证了混合屏蔽装置的工作原理，实验结果说明了混合屏蔽装置能够在实现屏蔽漏磁的同时增强耦合性能;测量了空间嵌套型集成线圈与其余线圈间的互感数值，并分析了空间嵌套型集成线圈接入并联解耦电路中的输出波形，实验结果说明了空间嵌套型集成线圈能与其余线圈实现空间自解耦，并能作为补偿电感参与系统电路的运行;根据对应的计算模型研制了互感计算方法验证平台，验证了部分线圈间的互感数值不受混合屏蔽装置中的磁心影响，以及所提两种互感计算方法的准确性。

关键词：吊轨式巡检设备无线供电系统耦合机构无源屏蔽磁集成设计

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基于磁耦合谐振式无线供电系统的研究与设计

基于磁耦合谐振式无线供电系统的研究与设计

作者：吴二雷东北大学

学位级别：硕士

磁耦合谐振式无线供电技术是一种新型的无线电能传输技术,具有传输效率高、安全性能好的特点,克服了许多传统电能传输方式的不足,适用于中等传输距离,可以为几种便捷式电子产品同时充电。该技术可以降低充电设备的成本、有利于环境保护... 详细信息

磁耦合谐振式无线供电技术是一种新型的无线电能传输技术,具有传输效率高、安全性能好的特点,克服了许多传统电能传输方式的不足,适用于中等传输距离,可以为几种便捷式电子产品同时充电。该技术可以降低充电设备的成本、有利于环境保护,因而可以应用许多领域,为现代高科技发展时代和人们的生活带来极大的方便。因此磁耦合谐振式无线供电技术的研究具有重要的学术意义和实用价值。本文详细分析了磁耦合谐振式无线供电系统的工作原理和系统结构,研究了作为磁耦合谐振式无线供电系统传输媒介的近区磁场。在此基础上,分析了磁耦合谐振式无线供电系统耦合模型。重点研究了无线供电系统的传输特性,影响系统传输特性的因素有：线圈参数、回路品质因数、耦合线圈的互感系数、系统的谐振频率等。在理论上对不同匝数线圈在不同谐振频率和距离下对系统传输特性的影响进行了分析,得到最优线圈匝数,最佳耦合距离和谐振频率。对无线供电系统进行了整体设计,包括发射端电路、耦合线圈、接收端电路的设计。对发射端高频逆变器电路进行选型,计算阻尼吸收电路参数;对接收端整流电路、滤波电路、稳压电路进行了具体设计和参数计算;对耦合线圈进行了优化设计;给出了无线供电系统结构。对无线供电系统进行了实验分析,以验证基于磁耦合谐振式无线供电系统的有效性。对系统测试结果表明了无线供电系统设计的合理性。驱动器输入输出波形、逆变器输出和发射线圈波形、空载电压波形、能量传输波形、整流电路输出波形、负载波形均满足设计要求。对耦合线圈在不同距离下进行了实际实验,验证了理论推导的正确性。频率优化实验表明所设计的无线供电系统当频率在一定范围内变化时,系统仍能稳定工作。电源电压变压实验表明,增加电源电压,能够有效地提高系统的效率和接收功率。综合实验表明,本文所设计的无线供电系统具有传输效率高、稳定等特点。

关键词：无线供电系统谐振耦合线圈高频逆变效率

GIS局放在线报警及其无线供电系统的研究与设计

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GIS局放在线报警及其无线供电系统的研究与设计

作者：叶衍林湖南大学

学位级别：硕士

气体绝缘全封闭组合电器（GIS）由于具有安全可靠、占地面积小、检修周期长、维护工作量小等优点，越来越广泛地应用于电力系统中。局部放电是绝缘性故障发生的前兆和表现形式，而GIS设备在制造、运输、安装等过程中形成的缺陷容易导致... 详细信息

气体绝缘全封闭组合电器（GIS）由于具有安全可靠、占地面积小、检修周期长、维护工作量小等优点，越来越广泛地应用于电力系统中。局部放电是绝缘性故障发生的前兆和表现形式，而GIS设备在制造、运输、安装等过程中形成的缺陷容易导致局部放电的发生。对GIS进行局放在线报警并采取相应的措施可避免击穿事故的发生，保证电力系统的安全稳定运行。然而，目前高压侧电子设备传统的供能方式由于存在使用寿命短、维护困难、价格较贵等问题，其应用存在一定的局限性。因此，电子检测设备供电电源的研究成为亟待解决的问题。针对以上问题，本文首先概述目前GIS局部放电在线检测的研究现状，设计了基于UHF法的GIS局放在线报警系统，通过超高频传感器接收局部放电信号，经检波比较模块处理，达到局放的预设阀值时，由GSM模块发送信息实现报警功能，完成了系统中硬件电路与软件程序的研究与设计。同时，采用Ansoft Maxwell电磁仿真软件对GIS盘式绝缘子外侧取能线圈周围的电磁场及感应能量进行仿真分析，验证了感应取能的可行性，并提出一种无线供电系统解决方案。通过取能线圈从GIS盘式绝缘子外侧感应工频电磁场获取电能，采用具有电池管理功能的超低功耗升压充电器，获取和管理取能线圈感应到的微瓦至毫瓦级的电能，并将电能存储于可充电锂离子电池中，经升压稳压电路后输出稳定的电压，解决了由于取能线圈端输出功率较小，不足以直接驱动GIS局放在线报警系统工作的问题。测试结果表明，无线供电系统中的取能线圈、整流滤波电路、充电电路与升压稳压电路均满足设计的要求，能够输出5V的电压，为报警系统提供足够的电能，且集成度高、体积小、稳定性好。通过实验室测试与现场测试，GIS局放在线报警系统可实现在线报警功能。

关键词：气体绝缘全封闭组合电器局部放电在线报警感应取能电源管理无线供电系统

基于脉冲密度调制的无线供电系统参数辨识方法研究

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基于脉冲密度调制的无线供电系统参数辨识方法研究

作者：杨祥锟西南交通大学

学位级别：硕士

电动汽车作为传统燃油汽车的替代品,以能够有效减少温室气体排放的优势受到人们的青睐。无线供电技术为解决电动汽车传统插拔充电方式存在的短路、漏电等安全隐患提供了新的解决方案。然而,电动汽车无线充电过程中,多种因素造成的系统... 详细信息

电动汽车作为传统燃油汽车的替代品,以能够有效减少温室气体排放的优势受到人们的青睐。无线供电技术为解决电动汽车传统插拔充电方式存在的短路、漏电等安全隐患提供了新的解决方案。然而,电动汽车无线充电过程中,多种因素造成的系统互感、负载变化会使源自接收端的反射阻抗改变,导致发射端电路谐振频率发生漂移,影响系统工作状态,造成能源浪费甚至会诱发安全事故。基于此,本文提出了基于脉冲密度调制的无线供电系统参数辨识方法,采集发射端电压及电流信息,对系统互感和输出电压进行辨识,以辨识结果为依据判断系统工作状态和电池充电状态,保障电动汽车充电安全。论文主要内容有:首先,提出了基于脉冲密度调制的无线供电系统参数辨识方法。首先说明脉冲密度调制功率调节原理;以S-S补偿拓扑的无线供电系统为例,分析了其输出特性;基于该无线供电系统,推导并分析了所提参数辨识方法的数学模型,同时,为减小测量误差等因素对辨识精度的影响,引入最小二乘法确定参数辨识结果。其次,提出了间谐波选择策略。针对逆变器输出脉冲进行频谱分析,明晰逆变器输出脉冲序列和间谐波分布及含量的关系;随后,证明了在占空比不变时,改变逆变器输出脉冲序列基本不会对系统输出造成影响;紧接着,在占空比固定时,通过对比分析多种序列的逆变器输出脉冲频谱分析结果,提出了逆变器输出脉冲序列和间谐波选择策略;基于该选择策略,具体选择了应用于系统互感和输出电压辨识的逆变器输出脉冲序列和间谐波。最后,为验证所提参数辨识方法的有效性,借助MATLAB/Simulink仿真平台搭建仿真模型,同时,搭建实验平台,在无线供电系统互感和负载变化时进行仿真、实验验证。仿真结果和实验结果表明:在负载和互感变化时,辨识结果与实际值接近,辨识精度大于95%,且无线供电系统能量传输效率在90%左右。

关键词：无线供电系统脉冲密度调制电动汽车间谐波参数辨识

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多角度弯道电动汽车无线供电系统中互感研究

多角度弯道电动汽车无线供电系统中互感研究

作者：骆强上海电机学院

学位级别：硕士

近年来,随着能源的短缺和环保意识的增强,各国政府都在大力提倡使用新能源产品。针对汽车燃料的日益缺少和汽车尾气对环境的污染,世界各国开始注重对新能源汽车的研发。在新能源汽车的研发中,电动汽车的接触式充电得到了有力的支持。但... 详细信息

近年来,随着能源的短缺和环保意识的增强,各国政府都在大力提倡使用新能源产品。针对汽车燃料的日益缺少和汽车尾气对环境的污染,世界各国开始注重对新能源汽车的研发。在新能源汽车的研发中,电动汽车的接触式充电得到了有力的支持。但也暴露了许多问题,如:充电时长、触头磨损、充电位置受限及存在充电线路暴露而导致的安全隐患。不仅如此,电动汽车使用的电池可能形成新的二次污染,而且电池自身所承载的电压等级可能造成线路电压波动,极大的影响了行车安全性。对此,科研人员利用电磁耦合原理,提出了非接触式无线电能充电,解决了传统接触式充电遇到的难题。本文主要集中于长导轨式电动汽车无线充电系统,重点研究该系统进行转弯时互感和电压下降问题。首先,弯道角度将会影响电动汽车在过弯时互感的波动。在相同的弯道角度与弯道内径中,均存在着互感下降问题。所以,本文将研究基于相同的弯道内径、弯道角度对电动汽车过弯时互感的影响。其次,本文将对波动的弯道互感,采取补偿措施以达到稳定互感波动和电压波动的目的。最后,本文将结合互感理论、遗传算法、仿真优化,得出最佳的拾取系统模型,并对系统中的补偿参数进行规范化设计。首先,本文设计了一种外嵌式双圆形补偿线圈在转弯时应用,目的是减小能量拾取系统的互感波动,提高电动汽车动态无线充电的电压稳定性。接着,通过仿真的手段进一步优化、验证补偿线圈的设计,并分析其抗横向偏移的能力。最后,结合理论对该结构进行优化改进,并对设计方案进行大量的仿真优化以及实验验证。基于COMSOL Multiphysics电磁仿真软件和MATLAB运算软件,本文对矩形拾取线圈在不同弯道角度过弯时进行电磁联合仿真。然后,通过对补偿模型的选择确定了拾取系统的最佳补偿线圈模型。接着,利用遗传算法、互感理论对补偿线圈与矩形拾取线圈的匝数比进行确定,以达到最优补偿的效果。最后,通过搭建3D仿真模型,进行参数优化,并将仿真得出的互感波动、磁场分布与其他仿真模型对比,从而获得最优化仿真模型结构。在以上研究的基础上,对最优化仿真模型的电压波动和电能拾取效率做出进一步研究。同时,对于模型的抗横向偏移能力进行探讨。最后,在互感波动、电压波动、电能拾取效率及抗横向偏移能力等方面,本文设计的弯道补偿拾取系统模型均取得了较好的表现。综上所诉,本文对建立的弯道补偿拾取系统模型进行验证。本人通过所在实验室,搭建出1:1的实验装置,进而得到弯道补偿拾取系统的互感变化与电压变化实验波形图。实验结果表明:在多角度弯道电动汽车无线供电系统的各个方面,本文设计的外嵌式双圆形补偿线圈和改进的新型弯道补偿拾取系统模型参数均取得了较好的效果。

关键词：电动汽车无线供电系统外嵌式圆形补偿线圈弯道补偿拾取系统

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基于磁耦合谐振式无线供电系统的分析研究

应用能源技术 2019年第8期 49-54页

作者：杨睿张翔汪阳天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室

无线供电技术能够让用电设备摆脱线路的限制,实现电器和电源的完全分离;文中首先介绍了磁耦合谐振式无线电能传输的基本理论,并进行了带负载无线电能传输实验,研究了谐振频率、距离、障碍物对传输性能的影响;最后对磁耦合谐振式无线电... 详细信息

无线供电技术能够让用电设备摆脱线路的限制,实现电器和电源的完全分离;文中首先介绍了磁耦合谐振式无线电能传输的基本理论,并进行了带负载无线电能传输实验,研究了谐振频率、距离、障碍物对传输性能的影响;最后对磁耦合谐振式无线电能传输装置各个环节进行设计,构建了一套无线电能传输系统;该无线供电系统可以为很多小型化、低功耗的电子设备进行无线供电,且功率和距离能达到设计需求,因此具有一定的应用价值和研究价值。

关键词：无线供电磁耦合谐振谐振频率无线供电系统

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一种医用便携式无线供电系统的设计

医疗卫生装备 2016年第7期37卷 32-35,38页

作者：毛坤剑许新建李达义周文光王春飞解放军174医院厦门大学附属成功医院福建厦门361003

目的:设计一种医用便携式无线供电系统,适用于野战卫勤等恶劣环境下及临床门诊中医疗设备的无线供电。方法:采用HT66FW2230为主控芯片,AP4920GM为控制脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)信号的芯片,通过电能发射线圈以磁耦合谐... 详细信息

目的:设计一种医用便携式无线供电系统,适用于野战卫勤等恶劣环境下及临床门诊中医疗设备的无线供电。方法:采用HT66FW2230为主控芯片,AP4920GM为控制脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)信号的芯片,通过电能发射线圈以磁耦合谐振方式发射电能,并在现有的医疗设备(如注射泵、输液泵、手持内窥镜视频系统等)内置接收线圈,以磁场耦合实现电源从供应端到医疗设备的传输。该系统包括发射电流检测电路、电压信号解调电路、电流信号解调电路、线圈温度保护电路等,具有过流保护和过温保护。结果:该医用便携式无线供电系统可与各种已内置无线供电接收模块的医疗设备配合使用,实现无线供电。结论:该无线供电系统使用简单、方便快捷、供电性能稳定,非常适合各种中低功耗医疗设备的无线供电。

关键词：无线供电系统医用便携 HT66FW2230芯片

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小功率磁耦合谐振式无线供电系统的研究

电子技术应用 2020年第2期46卷 109-113,120页

作者：王帅薛寒寒中国船舶重工集团公司第七一三研究所

针对传统接触式供电模式的不足,设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统,以此研究该系统的传输特性。主要利用电路耦合理论,建立系统的等效电路模型,并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影响,包括谐振频率、负载阻值和耦合系数... 详细信息

针对传统接触式供电模式的不足,设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统,以此研究该系统的传输特性。主要利用电路耦合理论,建立系统的等效电路模型,并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影响,包括谐振频率、负载阻值和耦合系数,最终搭建了小功率无线供电系统试验平台,对系统的传输特性进行了试验验证。传输特性试验结果与MATLAB仿真分析结果具有较高的吻合度,表明设计的小功率磁耦合谐振式无线供电系统能够进行良好的无线能量传输,同时也为小功率无线充电设备的发展提供新思路。

关键词：无线供电系统磁耦合谐振式仿真分析传输特性