磁共振无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术是近年来近场调控的研究重点之一,其在移动电话、植入式医疗设备以及电动汽车等诸多方面都具有重要的应用价值.对于复杂传能通道需求(例如机械臂等),通常需要引入中继线圈构造多...磁共振无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术是近年来近场调控的研究重点之一,其在移动电话、植入式医疗设备以及电动汽车等诸多方面都具有重要的应用价值.对于复杂传能通道需求(例如机械臂等),通常需要引入中继线圈构造多米诺耦合阵列.然而,传统的多米诺耦合阵列存在明显的局限性:近场耦合导致的多重频率劈裂,使得系统无法保持固定的工作频率;耦合阵列易受到构造误差及参数扰动影响;目前研究多数集中在单负载传输,多负载传输系统仍然亟待开发;能量传输方向难以灵活控制.近年来,光子人工微结构为拓扑物理提供了良好的研究平台,使得拓扑特性得到了广泛的研究.拓扑结构的最显著特征是具有非零的拓扑不变量以及由体边对应确定的鲁棒性边界态,这一天然特性能够免疫制造缺陷和无序扰动.不仅如此,通过调整拓扑态的波函数分布能够使能量精准局域,从而实现定向的WPT.因此,将拓扑模式用于耦合阵列WPT具有重要的科学意义.本文主要阐明了基于宇称-时间(parity-time, PT)对称的通用型双线圈和三线圈WPT的基本原理,并且介绍了不同拓扑构型下的多米诺线圈阵列能够实现鲁棒的WPT,包括一维周期性模型(SSH链组成的有效二阶PT对称和有效三阶PT对称系统)、一维非周期性模型(拓扑缺陷态、类SSH链、准周期Harper链)以及高阶拓扑模型,最后对拓扑模式在WPT的应用方向进行了展望.展开更多
旋转磁场感应式双能道无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统可对用电设备进行宽空间范围和高自由度的电能输送。旋转磁场耦合机构的同侧及交叉互感在双能道WPT系统引起耦合环流,该环流关系到谐振电路的参数配置及双能道传输...旋转磁场感应式双能道无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统可对用电设备进行宽空间范围和高自由度的电能输送。旋转磁场耦合机构的同侧及交叉互感在双能道WPT系统引起耦合环流,该环流关系到谐振电路的参数配置及双能道传输功率的平衡度,环流与传能电流的幅相关系还对系统输出功率产生影响。该文建立计及同侧耦合互感的双能道WPT系统模型,分析环流的耦合路径并推导传能电流与环流的表达式,揭示环流的组成分量及其形成机理。据此,提出一种计及环流作用的谐振电路参数配置方法,给出了环流各分量对两路能道传输功率的作用规律,推导双能道输入功率的平衡条件及系统输出零功率的临界条件。仿真与实验结果验证所提耦合环流分布规律及系统传输特性分析结果的正确性。展开更多
针对水下无线电能传输(underwater wireless power transfer,UWPT)系统中涡流损耗对系统传输效率的制约作用,文中提出一种利用接收端阻抗调控进行效率优化的控制策略。通过构建UWPT系统传输效率的数学模型,得到系统最大效率条件,发现UWP...针对水下无线电能传输(underwater wireless power transfer,UWPT)系统中涡流损耗对系统传输效率的制约作用,文中提出一种利用接收端阻抗调控进行效率优化的控制策略。通过构建UWPT系统传输效率的数学模型,得到系统最大效率条件,发现UWPT系统效率与负载电抗存在强耦合关系;基于“功率优先、效率次优”的原则,利用有源整流保持输出功率稳定为首要控制目标;通过引入辅助H桥并和有源整流器进行协同控制,以副边回路电流相位为调控变量,进行涡流抑制和效率提升。提出辅助H桥和有源整流器的协同控制方法,实现系统阻抗匹配与输出控制双重目标;搭建787 W的实验样机进行验证,实验结果表明:相较于传统LCC-S补偿,所提方法在额定工况下传输效率提升1.58%,对其进行损耗分布分析发现,涡流损耗占比由初始的82.8%降至71.1%,验证了所提协同控制策略在涡流损耗抑制方面的有效性。展开更多
无线电能传输WPT(wireless power transfer)技术可在无人工辅助的条件下为无人机提供灵活便捷的电能补给,是未来无人机智能化发展的重要探索方向。为适应无人机WPT系统轻量化、恒流恒压充电、高能量传输效率等实际需求,提出了1种基于压...无线电能传输WPT(wireless power transfer)技术可在无人工辅助的条件下为无人机提供灵活便捷的电能补给,是未来无人机智能化发展的重要探索方向。为适应无人机WPT系统轻量化、恒流恒压充电、高能量传输效率等实际需求,提出了1种基于压控电容的无人机WPT系统高效率恒流/恒压输出调节方法。在系统发射线圈回路中采用压控电容作为补偿电容,通过动态调节该压控电容的等效阻抗,可在实现系统输出电流/电压有效控制的同时,保障宽负载范围条件下逆变器的软开关状态,且无需额外辅助电源及电感器件。详细分析了所提无人机WPT系统的工作原理及损耗模型,设计了1套完整的压控电容直流偏置电压调节模块、闭环控制策略及其参数设计方法。实验证明,在25.2 V-6 A的额定输出条件下,系统整体效率达88.8%。展开更多
针对现有无线能量和信号同步传输(Simultaneous wireless power and signal transmission,SWPST)系统存在功率密度低、系统结构复杂及能量与信号互扰等问题,提出一种基于单管逆变的高频注入式SWPST系统。首先,给出了基于单管逆变的SWPS...针对现有无线能量和信号同步传输(Simultaneous wireless power and signal transmission,SWPST)系统存在功率密度低、系统结构复杂及能量与信号互扰等问题,提出一种基于单管逆变的高频注入式SWPST系统。首先,给出了基于单管逆变的SWPST系统结构,详细分析了系统的工作原理及P^(#)型单管逆变电路的软开关工作特性,构建了能量传输通道和信号传输通道的等效电路模型,并给出了系统参数对信号传输速率和能量传输增益的影响关系;然后,通过对系统参数对能量通道与信号通道相互干扰的电压增益分析,提出了抑制干扰、提升信号传输增益的系统参数优化设计方法,实现了信号的双向传输;最后,搭建了120 W试验平台,对系统的能量传输特性、信号传输性能及互扰特性进行了测试与验证。试验结果表明,在保证恒流输出特性的同时,实现了240 kbit/s的信号传输速率,误码率为零,系统最高效率达88.7%,验证了理论分析的正确性与有效性。展开更多
传统移相控制下,无线电能传输(Wireles power transfer,WPT)系统输出功率宽范围调节时逆变器开关管易丢失零电压开关(Zero voltage switching,ZVS)状态,导致逆变器切换损耗增大甚至损坏。阶跃脉冲调制(Stepped Pulse Modulation)是一种...传统移相控制下,无线电能传输(Wireles power transfer,WPT)系统输出功率宽范围调节时逆变器开关管易丢失零电压开关(Zero voltage switching,ZVS)状态,导致逆变器切换损耗增大甚至损坏。阶跃脉冲调制(Stepped Pulse Modulation)是一种低输出纹波调制方法,可实现宽负载范围内的ZVS运行。但是,该调制方法包含有限状态机等环节,不易采用传统的机理建模访求进行建模,给控制器设计带来困难。在Simulink电路的基础上,基于数据驱动方法辨识了无线电能传输在阶跃脉冲调制下传递函数模型,并基于该模型设计内模控制器。实验表明,基于Simulink电路仿真方法获取采样数据,能够有效解决实物实验在某些场景下难以获取实验数据的难题,获得满意的辨识模型。同时,基于辨识模型设计的内模控制器,能够精确估计不同控制参数下的系统控制性能,满足了阶跃脉冲调制无线电能传输输出电压闭环控制的性能需求。展开更多
本文设计了一种多中继无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统,采用6个线圈来延长传输距离。对于负载发生变化时输出电压不稳定的问题,本文引入模型预测控制(model predictive control,MPC)对系统进行稳压控制。控制算法在S...本文设计了一种多中继无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统,采用6个线圈来延长传输距离。对于负载发生变化时输出电压不稳定的问题,本文引入模型预测控制(model predictive control,MPC)对系统进行稳压控制。控制算法在STM32嵌入式平台上实现,以满足负载发生变化时,输出电压稳定的需求。通过COMSOL多物理场仿真和实验平台相结合,对该系统的稳压性能与动态响应进行了验证。结果表明,在MPC下,该多中继WPT系统在负载发生变化时,能够保持输出电压稳定。这验证了所提方案的有效性,为实现在长距离且负载发生变化时,稳定供能提供了一种可行方案。展开更多
文摘磁共振无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术是近年来近场调控的研究重点之一,其在移动电话、植入式医疗设备以及电动汽车等诸多方面都具有重要的应用价值.对于复杂传能通道需求(例如机械臂等),通常需要引入中继线圈构造多米诺耦合阵列.然而,传统的多米诺耦合阵列存在明显的局限性:近场耦合导致的多重频率劈裂,使得系统无法保持固定的工作频率;耦合阵列易受到构造误差及参数扰动影响;目前研究多数集中在单负载传输,多负载传输系统仍然亟待开发;能量传输方向难以灵活控制.近年来,光子人工微结构为拓扑物理提供了良好的研究平台,使得拓扑特性得到了广泛的研究.拓扑结构的最显著特征是具有非零的拓扑不变量以及由体边对应确定的鲁棒性边界态,这一天然特性能够免疫制造缺陷和无序扰动.不仅如此,通过调整拓扑态的波函数分布能够使能量精准局域,从而实现定向的WPT.因此,将拓扑模式用于耦合阵列WPT具有重要的科学意义.本文主要阐明了基于宇称-时间(parity-time, PT)对称的通用型双线圈和三线圈WPT的基本原理,并且介绍了不同拓扑构型下的多米诺线圈阵列能够实现鲁棒的WPT,包括一维周期性模型(SSH链组成的有效二阶PT对称和有效三阶PT对称系统)、一维非周期性模型(拓扑缺陷态、类SSH链、准周期Harper链)以及高阶拓扑模型,最后对拓扑模式在WPT的应用方向进行了展望.
文摘旋转磁场感应式双能道无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统可对用电设备进行宽空间范围和高自由度的电能输送。旋转磁场耦合机构的同侧及交叉互感在双能道WPT系统引起耦合环流,该环流关系到谐振电路的参数配置及双能道传输功率的平衡度,环流与传能电流的幅相关系还对系统输出功率产生影响。该文建立计及同侧耦合互感的双能道WPT系统模型,分析环流的耦合路径并推导传能电流与环流的表达式,揭示环流的组成分量及其形成机理。据此,提出一种计及环流作用的谐振电路参数配置方法,给出了环流各分量对两路能道传输功率的作用规律,推导双能道输入功率的平衡条件及系统输出零功率的临界条件。仿真与实验结果验证所提耦合环流分布规律及系统传输特性分析结果的正确性。
文摘针对水下无线电能传输(underwater wireless power transfer,UWPT)系统中涡流损耗对系统传输效率的制约作用,文中提出一种利用接收端阻抗调控进行效率优化的控制策略。通过构建UWPT系统传输效率的数学模型,得到系统最大效率条件,发现UWPT系统效率与负载电抗存在强耦合关系;基于“功率优先、效率次优”的原则,利用有源整流保持输出功率稳定为首要控制目标;通过引入辅助H桥并和有源整流器进行协同控制,以副边回路电流相位为调控变量,进行涡流抑制和效率提升。提出辅助H桥和有源整流器的协同控制方法,实现系统阻抗匹配与输出控制双重目标;搭建787 W的实验样机进行验证,实验结果表明:相较于传统LCC-S补偿,所提方法在额定工况下传输效率提升1.58%,对其进行损耗分布分析发现,涡流损耗占比由初始的82.8%降至71.1%,验证了所提协同控制策略在涡流损耗抑制方面的有效性。
文摘无线电能传输WPT(wireless power transfer)技术可在无人工辅助的条件下为无人机提供灵活便捷的电能补给,是未来无人机智能化发展的重要探索方向。为适应无人机WPT系统轻量化、恒流恒压充电、高能量传输效率等实际需求,提出了1种基于压控电容的无人机WPT系统高效率恒流/恒压输出调节方法。在系统发射线圈回路中采用压控电容作为补偿电容,通过动态调节该压控电容的等效阻抗,可在实现系统输出电流/电压有效控制的同时,保障宽负载范围条件下逆变器的软开关状态,且无需额外辅助电源及电感器件。详细分析了所提无人机WPT系统的工作原理及损耗模型,设计了1套完整的压控电容直流偏置电压调节模块、闭环控制策略及其参数设计方法。实验证明,在25.2 V-6 A的额定输出条件下,系统整体效率达88.8%。
文摘针对现有无线能量和信号同步传输(Simultaneous wireless power and signal transmission,SWPST)系统存在功率密度低、系统结构复杂及能量与信号互扰等问题,提出一种基于单管逆变的高频注入式SWPST系统。首先,给出了基于单管逆变的SWPST系统结构,详细分析了系统的工作原理及P^(#)型单管逆变电路的软开关工作特性,构建了能量传输通道和信号传输通道的等效电路模型,并给出了系统参数对信号传输速率和能量传输增益的影响关系;然后,通过对系统参数对能量通道与信号通道相互干扰的电压增益分析,提出了抑制干扰、提升信号传输增益的系统参数优化设计方法,实现了信号的双向传输;最后,搭建了120 W试验平台,对系统的能量传输特性、信号传输性能及互扰特性进行了测试与验证。试验结果表明,在保证恒流输出特性的同时,实现了240 kbit/s的信号传输速率,误码率为零,系统最高效率达88.7%,验证了理论分析的正确性与有效性。
文摘传统移相控制下,无线电能传输(Wireles power transfer,WPT)系统输出功率宽范围调节时逆变器开关管易丢失零电压开关(Zero voltage switching,ZVS)状态,导致逆变器切换损耗增大甚至损坏。阶跃脉冲调制(Stepped Pulse Modulation)是一种低输出纹波调制方法,可实现宽负载范围内的ZVS运行。但是,该调制方法包含有限状态机等环节,不易采用传统的机理建模访求进行建模,给控制器设计带来困难。在Simulink电路的基础上,基于数据驱动方法辨识了无线电能传输在阶跃脉冲调制下传递函数模型,并基于该模型设计内模控制器。实验表明,基于Simulink电路仿真方法获取采样数据,能够有效解决实物实验在某些场景下难以获取实验数据的难题,获得满意的辨识模型。同时,基于辨识模型设计的内模控制器,能够精确估计不同控制参数下的系统控制性能,满足了阶跃脉冲调制无线电能传输输出电压闭环控制的性能需求。
文摘本文设计了一种多中继无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统,采用6个线圈来延长传输距离。对于负载发生变化时输出电压不稳定的问题,本文引入模型预测控制(model predictive control,MPC)对系统进行稳压控制。控制算法在STM32嵌入式平台上实现,以满足负载发生变化时,输出电压稳定的需求。通过COMSOL多物理场仿真和实验平台相结合,对该系统的稳压性能与动态响应进行了验证。结果表明,在MPC下,该多中继WPT系统在负载发生变化时,能够保持输出电压稳定。这验证了所提方案的有效性,为实现在长距离且负载发生变化时,稳定供能提供了一种可行方案。
