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
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
针对无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)面临的能源供应限制和数据时效性不足问题,文中设计了一种基于无线供能体域网(Wireless-powered Body Area Network,WP-BAN)的传输优化策略。对WP-BAN进行系统建模,考虑了基于马尔可夫...针对无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)面临的能源供应限制和数据时效性不足问题,文中设计了一种基于无线供能体域网(Wireless-powered Body Area Network,WP-BAN)的传输优化策略。对WP-BAN进行系统建模,考虑了基于马尔可夫的数据采集传输过程、能量供应与消耗过程以及信息年龄(Age-of-Information,AoI)增长过程,并在队列稳定性约束和链路容量约束下构建一个关于数据采样速率与数据丢弃率系统效用最大化的离散时间随机优化问题。运用Lyapunov优化理论将原问题转化为单时隙多序列的确定性优化问题,设计了效用最大化的传输调度和能量收集策略(Utility-maximization Transmission Scheduling and Energy Harvesting Strategy,UMTEHS)。在Lyapunov求解框架下使用BARON(Branch and Reduce Optimization Navigator)求解器求解转化后的优化问题,根据当前时刻的队列状态优化下一个时刻的数据传输调度和能量收集率。仿真实验验证了所提策略的有效性,其在保持系统能量中性运行的同时能够获得更大的系统效用和更小的AoI。展开更多
提出了一种高效可行的一次侧控制方法,用于混合型储能(hybrid energy storage system,HESS)与无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统,该方法能够使系统在混合储能单元不同充电状态下动态维持最大功率传输以及E类功率放大器(cla...提出了一种高效可行的一次侧控制方法,用于混合型储能(hybrid energy storage system,HESS)与无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统,该方法能够使系统在混合储能单元不同充电状态下动态维持最大功率传输以及E类功率放大器(class E power amplifier,Eop)的开关管处于软开关工作状态,确保混合型储能稳定高效地进行无线能量补充。系统拓扑由Eop、串联-串联(S-S)型WPT电路和HESS构成,基于对HESS不同充电模式下无线电能传输特性及Eop软开关特性的分析,提出了针对HESS无线充电的Eop最优频率追踪控制及Eop软开关占空比控制策略。该控制策略的优势是所有控制机构均位于发射侧,这样可有效减少接收侧储能单元的附加电路体积,提升系统的体积能量密度。最后,基于ZYNQ处理器搭建了实验样机,实验结果表明,该系统能够在混合储能不同充电状态及耦合条件下实现高效稳定的无线电能传输。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。
文摘针对无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)面临的能源供应限制和数据时效性不足问题,文中设计了一种基于无线供能体域网(Wireless-powered Body Area Network,WP-BAN)的传输优化策略。对WP-BAN进行系统建模,考虑了基于马尔可夫的数据采集传输过程、能量供应与消耗过程以及信息年龄(Age-of-Information,AoI)增长过程,并在队列稳定性约束和链路容量约束下构建一个关于数据采样速率与数据丢弃率系统效用最大化的离散时间随机优化问题。运用Lyapunov优化理论将原问题转化为单时隙多序列的确定性优化问题,设计了效用最大化的传输调度和能量收集策略(Utility-maximization Transmission Scheduling and Energy Harvesting Strategy,UMTEHS)。在Lyapunov求解框架下使用BARON(Branch and Reduce Optimization Navigator)求解器求解转化后的优化问题,根据当前时刻的队列状态优化下一个时刻的数据传输调度和能量收集率。仿真实验验证了所提策略的有效性,其在保持系统能量中性运行的同时能够获得更大的系统效用和更小的AoI。
文摘提出了一种高效可行的一次侧控制方法,用于混合型储能(hybrid energy storage system,HESS)与无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统,该方法能够使系统在混合储能单元不同充电状态下动态维持最大功率传输以及E类功率放大器(class E power amplifier,Eop)的开关管处于软开关工作状态,确保混合型储能稳定高效地进行无线能量补充。系统拓扑由Eop、串联-串联(S-S)型WPT电路和HESS构成,基于对HESS不同充电模式下无线电能传输特性及Eop软开关特性的分析,提出了针对HESS无线充电的Eop最优频率追踪控制及Eop软开关占空比控制策略。该控制策略的优势是所有控制机构均位于发射侧,这样可有效减少接收侧储能单元的附加电路体积,提升系统的体积能量密度。最后,基于ZYNQ处理器搭建了实验样机,实验结果表明,该系统能够在混合储能不同充电状态及耦合条件下实现高效稳定的无线电能传输。
