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面向电动汽车动态无线充电系统的补偿拓扑优化与切换策略研究

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面向电动汽车动态无线充电系统的补偿拓扑优化与切换策略研究

作者：秦亚兵江苏大学

学位级别：硕士

在石油能源日益短缺和环境保护愈发严厉的时代背景下,绿色环保的电动汽车成为交通领域的发展主流。当前,电动汽车一般采用固定式的有线充电方式,存在不灵活、利用率低等缺点。无线电能传输技术可以实现电动汽车的一对多、非接触、高效... 详细信息

在石油能源日益短缺和环境保护愈发严厉的时代背景下,绿色环保的电动汽车成为交通领域的发展主流。当前,电动汽车一般采用固定式的有线充电方式,存在不灵活、利用率低等缺点。无线电能传输技术可以实现电动汽车的一对多、非接触、高效率充电,越来越受到研究人员的关注。本文以电路补偿拓扑为理论基础,以提高电动汽车动态无线充电系统的传输稳定性为研究目标,对系统中补偿拓扑的选择、发射线圈切换控制方法、耦合线圈优化问题进行了研究,使得整个无线充电系统传输性能工作在最佳状态。本文的主要研究内容与贡献如下:(1)针对系统中补偿拓扑的选择问题,本文提出了一种层次化的解决方案。首先,基于松耦合变压器模型,对四种基本谐振补偿结构统一进行数学建模分析;其次,构建了四种基本补偿拓扑传输特性与系统负载关系;然后,对传输特性较好的S-S型补偿拓扑结构进行了耦合系数特性、负载特性、频率特性的分析;接着,对LCL-S型补偿拓扑展开分析,该结构具有副边映射到原边阻抗呈现纯阻性、输出恒压等优点,符合系统恒压充电补偿拓扑的选择;最后,利用仿真验证了LCL-S型拓扑结构的输出恒压特性。(2)针对电动汽车行进中发射线圈切换所引起的输出不稳定问题,提出了一种检测原边电流控制原边发射线圈的切换方法。首先,构建了基于LCL-S型双发射单元结构,推导出其原边电压电流参数关系表达式,分析表明了流经原边补偿电感电流与线圈之间互感的相关性;其次,通过对原边电流采样来控制原边发射线圈切换;最后,通过仿真验证了所提方法能有效提升系统的输出稳定性。(3)针对“多对单”原副边耦合线圈形状优化设计问题,提出了一种基于形状耦合性能的优化设计方法。首先,构建了不同形状耦合线圈的等效模型,通过计算得到原副边同类型与不同类型的耦合线圈之间互感函数关系表达式;其次,通过对原副边同类型与不同类型的耦合线圈在位置距离偏移情况下进行电磁仿真;随后,经过耦合性能磁云图以及偏移效果综合分析,方形-方形的耦合线圈具有更加优越的耦合性能。最后,通过实验对方形-方形的耦合线圈在副边接收线圈动态过程中与原边发射线圈之间的传输稳定性进行验证,实验结果表明该结构具有良好的耦合输出特性。

关键词：电动汽车无线电能传输补偿拓扑耦合线圈

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感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究

电工技术学报 2009年第1期24卷 133-139页

作者：周雯琪马皓何湘宁浙江大学电气工程学院杭州310027

比较了感应耦合电能传输(ICPT)系统的拓扑。讨论了ICPT系统中几种不同的补偿形式,包括单谐振补偿和多谐振补偿拓扑,并推导出匝比为1时每种拓扑的电压电流增益。为了最小化器件的电压电流应力和优化参数设计,介绍了谐振电路功率因数的概... 详细信息

比较了感应耦合电能传输(ICPT)系统的拓扑。讨论了ICPT系统中几种不同的补偿形式,包括单谐振补偿和多谐振补偿拓扑,并推导出匝比为1时每种拓扑的电压电流增益。为了最小化器件的电压电流应力和优化参数设计,介绍了谐振电路功率因数的概念。由分析结果及得到的曲线图可知,在单谐振补偿拓扑中,一次侧串联补偿与其余几种相比更能抵消漏感的影响。而几种多谐振补偿拓扑的效果则明显优于单谐振补偿拓扑。分析和比较了不同参数变化时的特性曲线,以便于进行电路设计。最后以一次、二次侧都进行并联补偿的一种电流型ICPT电路为例进行实验验证,以说明实际系统的性能。

关键词：感应耦合电能传输(ICPT) 补偿拓扑功率因数谐振

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高偏移阈值的感应电能传输系统补偿拓扑

电力电子技术 2015年第10期49卷 76-77,82页

作者：廖颜华袁学庆王侃中国科学沈阳自动化研究所辽宁沈阳110016 中国科学院大学北京100049

感应电能传输(IPT)技术可用于各种设备的电能补充。尽管这项技术发展迅速,但IPT仍然存在一些问题。在IPT系统中,输出功率很容易受到耦合线圈之间耦合状态的影响。当两个耦合线圈没有精确对准时,输出功率会大幅下降。这里提出了一种新的... 详细信息

感应电能传输(IPT)技术可用于各种设备的电能补充。尽管这项技术发展迅速,但IPT仍然存在一些问题。在IPT系统中,输出功率很容易受到耦合线圈之间耦合状态的影响。当两个耦合线圈没有精确对准时,输出功率会大幅下降。这里提出了一种新的补偿拓扑用于减小耦合系数对输出功率的影响。该拓扑能够在耦合系数偏离额定值很大时,仍然保持输出功率额定。这里对此进行了理论分析,计算机仿真及实验。

关键词：感应电能传输补偿拓扑高偏移量

基于E类逆变ICPT系统的恒流补偿拓扑研究

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基于E类逆变ICPT系统的恒流补偿拓扑研究

作者：王肖西安科技大学

学位级别：硕士

电能的便捷、安全和高效利用,一直是电气工程界以及全社会着力推进的重要事业。ICPT技术作为一种新型的电能传输方式,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文针对现有补偿拓扑结构负载变动引起损耗较大、可靠性和稳定性差等问题,提... 详细信息

电能的便捷、安全和高效利用,一直是电气工程界以及全社会着力推进的重要事业。ICPT技术作为一种新型的电能传输方式,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文针对现有补偿拓扑结构负载变动引起损耗较大、可靠性和稳定性差等问题,提出原、副边不对称的补偿拓扑结构,使系统可实现宽负载范围内的恒流输出。在分析ICPT系统组成和原理的基础上,对E类功率放大器的原理及效率影响因素进行研究,得出系统实现软开关的参数调整方法,并应用Saber进行了仿真验证。通过对S/S、S/P及S/LCC型补偿拓扑结构进行研究,得出三种补偿方式的电路特性及参数设计表达式。基于互感等效理论建立S/S和S/LCC型补偿ICPT系统电路模型,推导出能够使系统具有恒定输出特性的参数条件,并研究了寄生电阻对系统输出恒流特性的影响。利用Matlab对E类逆变拓扑的工作效率进行分析,得到频率与耦合系数对效率的影响关系,为系统参数优化选择提供理论依据。针对系统副边分别采用串联和LCC型补偿拓扑的ICPT系统,对其等效电路及相关参数进行分析,通过对原边线圈输入阻抗的实部及耦合系数施加约束可保证系统高效运行。为减少趋肤效应和磁芯损耗对传输效率的影响,设计了一种采用利兹线绕制的无磁芯平面环形松耦合变压器。基于副边LCC补偿拓扑谐振网络优势,设计了同步整流驱动控制电路,以确保系统有较高的整体效率。研制E类逆变ICPT系统样机并搭建实验平台,对相关参数进行测试与分析,实验结果表明负载电阻在宽范围内变化时,可保持输出电流恒定,验证了理论分析的正确性及电路设计的可行性。

关键词： ICPT E类逆变 LCC 补偿拓扑恒流

电动汽车无线充电系统补偿拓扑研究及参数优化设计

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电动汽车无线充电系统补偿拓扑研究及参数优化设计

作者：郭娟娟合肥工业大学

学位级别：硕士

随着能源短缺和环境污染问题的日益严峻,电动汽车的普及提上日程,而由于其安全便利的优点,电动汽车无线充电技术得到热切关注。适用于电动汽车的磁感应耦合式无线充电系统采用电磁感应的方式,实现电能的非接触传输。但由于其能量传输关... 详细信息

随着能源短缺和环境污染问题的日益严峻,电动汽车的普及提上日程,而由于其安全便利的优点,电动汽车无线充电技术得到热切关注。适用于电动汽车的磁感应耦合式无线充电系统采用电磁感应的方式,实现电能的非接触传输。但由于其能量传输关键结构（松耦合变压器）的耦合系数较小,导致系统功率传输能力和系统效率较低,需要构建补偿网络提高系统性能。此外,无线充电系统运行过程中负载是变化的,磁耦合结构偏移也可能带来耦合系数的变化,导致逆变电路软开关完全实现较困难,更一步的降低了系统效率。针对以上问题,本文主要研究无线充电系统补偿拓扑及其参数设计方法,并通过补偿元件参数优化设计实现负载和耦合系数宽范围变化下的逆变电路软开关,从而提高系统效率。本文在研究补偿网络的基本工作原理基础上,通过对比分析各个补偿拓扑的系统性能,选用了综合性能较好的双LCC补偿拓扑来设计无线充电系统,并研究了其参数设计方法。本文在设计松耦合变压器结构基础上,以及在谐振条件下,建立了补偿网络的效率模型,分析了耦合系数、输出电压及补偿电感参数对补偿网络效率的影响,据此进行补偿电感参数设计。而针对软开关实现问题,本文分析了全桥逆变器的软开关模式及实现条件,并分析了补偿元件参数变化对系统性能的影响,在此基础上提出了基于逆变器软开关实现的补偿电容参数优化设计方法。最后在完成上述工作的基础上,本文设计并搭建了3.3k W无线充电系统样机,对参数设计方案进行了实验验证。实验结果表明,采用上述参数设计方法,系统输出性能基本满足设计要求,在负载和耦合系数宽范围变化下,系统始终实现了逆变器软开关,且额定功率下效率达到95.2%,负载和耦合系数均降低一半时,效率仍高于93%,验证了参数设计的合理性及有益效果,系统效率得到一定程度的提高。

关键词：电动汽车无线充电补偿拓扑参数设计软开关

提高IPT系统效率的松耦合变压器和补偿拓扑优化研究

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提高IPT系统效率的松耦合变压器和补偿拓扑优化研究

作者：寿亚涛武汉理工大学

学位级别：硕士

相比于传统有线能量传输方式,感应能量传输（Inductive Power Transfer,IPT）技术以其非物理接触所带来的安全便捷等特性,受到越来越多国内外学者与用户的青睐。作为IPT系统最为重要的组成部分,松耦合变压器（Loosely Coupled Transform... 详细信息

相比于传统有线能量传输方式,感应能量传输（Inductive Power Transfer,IPT）技术以其非物理接触所带来的安全便捷等特性,受到越来越多国内外学者与用户的青睐。作为IPT系统最为重要的组成部分,松耦合变压器（Loosely Coupled Transformer,LCT）与补偿拓扑结构具有的重要研究意义。本文试图针对松耦合变压器和补偿拓扑结构展开研究,从降低损耗的角度,探讨如何提高IPT系统传输效率。首先针对IPT系统松耦合变压器进行损耗机理分析,并提出降低损耗的优化方案。基于线圈绕组上的邻近效应和趋肤效应原理,对传统定匝间距线圈上的磁场强度进行仿真,进而提出变匝间距线圈结构以降低损耗,并通过理论分析与仿真验证该结构在降低线圈损耗方面的优势。考虑到松耦合变压器中铁氧体部分存在涡流损耗和磁滞损耗,对传统均匀厚度铁氧体上的磁通密度进行仿真,进而提出厚度不均匀铁氧体结构以降低损耗,并通过理论分析与仿真验证该结构在降低铁芯损耗方面的优势。然后,考虑到IPT系统恒压轻载条件下效率不高的问题,针对不同补偿拓扑方案进行效率优化研究。通过分析任意高阶补偿拓扑的恒压传输模型,得到实现恒压传输的最简L型和T型等效拓扑结构。基于最简等效拓扑分析法,对双边LCC、LCC-S和LCC-P三种典型LCC补偿拓扑进行恒压传输参数配置,并研究其恒压传输条件下的效率特性,通过仿真对比发现LCC-P补偿拓扑在恒压轻载条件下的效率最优特性。最后,通过搭建IPT系统实验平台,对采用变匝间距线圈绕组和厚度不均匀铁氧体的松耦合变压器分别进行实验,实验结果与仿真分析一致,说明变匝间距线圈结构与厚度不均匀铁氧体结构具有更低损耗。此外,对双边LCC、LCC-S和LCC-P三种补偿拓扑结构的IPT系统进行实验,实验结果与仿真分析一致,验证三种补偿拓扑的恒压传输特性,同时验证了LCC-P补偿拓扑结构的IPT系统在恒压轻载模式下效率最优特性。

关键词： IPT系统松耦合变压器补偿拓扑损耗效率

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无线电能传输谐振补偿拓扑分析及参数优化

无线电能传输谐振补偿拓扑分析及参数优化

作者：李逸杰合肥工业大学

学位级别：硕士

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）作为一种高效、可靠、灵活的新型电能接入技术,采用原边侧与副边侧分离的松耦合变压器作为能量传输的关键环节,摆脱了传统电能传输方式直接电气连接带来的各种限制,受到了社会各界的广泛关... 详细信息

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）作为一种高效、可靠、灵活的新型电能接入技术,采用原边侧与副边侧分离的松耦合变压器作为能量传输的关键环节,摆脱了传统电能传输方式直接电气连接带来的各种限制,受到了社会各界的广泛关注。因其传输距离较远、抗干扰能力强,已被广泛应用在众多领域包括电动汽车、移动电话、航空航天、铁路运输以及植入式医疗设备等,具备良好的应用前景。本文介绍了无线电能传输系统的组成与工作原理,并分别利用等效磁路模型及等效电路模型阐述松耦合变压器的电磁关系及工作特性,然后利用Ansys Maxwell对松耦合变压器进行仿真建模与特性分析。介绍了无线电能传输基本的补偿拓扑,建立了SS型与LCC型谐振补偿拓扑的磁耦合等效模型并利用模型阐述其基本工作特性。针对无线电能传输技术中应用较为广泛的SS型、LCC型补偿拓扑进行深入分析,对比了两种补偿拓扑在输出端短路、输出端断路及系统失耦合工况下的鲁棒性并对分析结果进行了详细的总结,然后比较了两种补偿拓扑在恒功率工况下谐振补偿电容的电压应力,最后对两种补偿拓扑的效率传输特性进行分析,并依据分析结果得出了两者的优势负载区域。分别针对SS型与LCC型补偿拓扑的效率最优负载点进行分析,并基于效率最优负载点对两种补偿拓扑的互感参数进行优化,计算出两者的互感优化区间,最后通过仿真验证了理论分析的正确性。搭建了无线电能传输实验平台,介绍了效率—互感特性实验与互感优化区间验证实验的测试方法,最后通过实验对比了SS型、LCC型补偿拓扑在不同负载电阻条件下系统的效率—互感特性,并通过实验验证了互感优化区间的理论正确性。

关键词：无线电能传输补偿拓扑参数优化负载电阻互感

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非接触电能传输系统原副边补偿拓扑的研究

电气自动化 2012年第5期34卷 35-37,90页

作者：叶子晟唐厚君白亮宇沈会上海交通大学上海200240

基于非接触电动汽车充电器的设计项目,针对非接触电能传输系统效率以及传输功率受到原副边补偿方式,以及补偿参数影响较大的问题,对非接触电能传输系统的结构特性进行分析,并且得出其参数的计算方法。重点比较电压型感应耦合传输系统的... 详细信息

基于非接触电动汽车充电器的设计项目,针对非接触电能传输系统效率以及传输功率受到原副边补偿方式,以及补偿参数影响较大的问题,对非接触电能传输系统的结构特性进行分析,并且得出其参数的计算方法。重点比较电压型感应耦合传输系统的不同补偿拓扑结构以及补偿参数对于传输性能的影响曲线,从而可根据不同负载的种类以及大小选择不同的补偿结构与参数,为实际电路设计提供重要参考。

关键词：非接触电能传输补偿拓扑参数计算功率因素效率

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无线电能传输系统补偿拓扑综述

电气开关 2017年第5期55卷 1-4,9页

作者：陈庆彬叶逢春陈为福州大学电气工程与自动化学院福建福州350116

在无线电能传输系统中,其补偿拓扑是系统的重要组成部分。磁耦合系统中初级与次级之间存在较大的气隙,且漏感较大,耦合系数低,系统的能量传输能力也低,需要采用补偿技术以实现能量的高效传输。以谐振式无线电能传输系统为研究对象,分析... 详细信息

在无线电能传输系统中,其补偿拓扑是系统的重要组成部分。磁耦合系统中初级与次级之间存在较大的气隙,且漏感较大,耦合系数低,系统的能量传输能力也低,需要采用补偿技术以实现能量的高效传输。以谐振式无线电能传输系统为研究对象,分析了四种基本补偿拓扑的统一等效电路模型,推导了输出端口等效电路随线圈自感、互感、频率等参数变化的解析表达式,在此基础上详细分析了系统输出状态在不同参数下的电路性能,并总结了其优缺点。该研究成果对无线电能传输装置设计具有一定的指导意义。

关键词：无线电能传输补偿拓扑感应耦合电能传输磁谐振