2023年, 第21卷, 第6期　刊出日期：2023-11-30

  

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无线电能传输技术及应用专辑
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  无线电能传输技术及应用专辑主编述评

  孙跃, 马皓, 赵雷

  电源学报. 2023, 21(6): 1-6. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.1

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抗偏移技术
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  非线性铁磁谐振无线电能传输拓扑结构

  樊京, 李定珍, 杨旭

  电源学报. 2023, 21(6): 7-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.7

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  针对负载和耦合系数均有可能大范围变化的实际工况,提出一种新型的基于铁磁谐振的非线性无线电能传输拓扑结构。首先,使用杜芬方程和相量分析法对工作原理进行定性分析;其次,使用有限元电路仿真软件对上述原理进行数值验证计算;最后,搭建了功率可达566 W、效率可达93.5%的非线性拓扑无线电能传输系统原型。实验结果表明,在次级稳压输出200 V的条件下,提出的非线性LCC-LCC拓扑能够适应耦合系数从0.1变化到0.5、负载电阻从72 Ω到无穷大的大范围变化,具有出色的抗偏移能力和负载稳定性。所提拓扑原理新颖、结构简单,具备一定的工程应用潜力。
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  移动中继双向无线充电系统拓扑结构设计

  李阳, 寇苏雅, 安张磊, 孟航, 黄文鑫, 张冲

  电源学报. 2023, 21(6): 15-23. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.15

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  移动中继无线充电系统可实现其与地面端电源和负载间的双向无线电能传输,使电能存储和充电更具便携性和灵活性,易于实现电工装备的无人化与智能化。作为新型无线充电系统,移动中继无线充电装置设计的重点和难点之一是电能的双向变换,因此提出针对移动中继双向无线充电的功率变换新型拓扑结构,设计具体参数,并进行仿真和实验验证。建立双向无线充电系统仿真模型,对不同互感、负载、输出功率下的系统进行仿真研究,并搭建了10 kW双向无线充电系统进行相关实验研究。仿真和实验数据吻合,进一步证明了所提拓扑结构及整体系统的正确性和可行性。
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  兼具强抗偏移性与功率可控性的可重构无线充电系统研究

  李振杰, 霍玉昇, 何家房, 刘一琦, 班明飞

  电源学报. 2023, 21(6): 24-34. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.24

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  针对水平偏移与电池充电时输出功率可控性较弱的问题,提出一种可重构无线充电系统WCS(wireless charging system)。通过合理地切换传能通道,实现互感与负载较宽范围变化时恒流/恒压充电和全桥逆变器软开关ZVS(zero voltage switching)状态。首先,分析系统电路拓扑,推导系统参数与充电电流/电压、ZVS状态之间关系式,据此阐释系统重构与功率可控的合理性;其次,构造交叠线圈式磁耦合机构MCSC(magnetic coupler with sandwich coils),分析其水平偏移性能,为系统高偏移容忍度的设计提供依据;第三,分析WCS的工作流程,设计的闭环控制器实现了较宽偏移与负载波动时恒流/恒压充电、ZVS状态;最后,搭建旋翼无人机用WCS,实验结果表明,最大输出功率为126 W且系统效率大于85%时,水平偏移范围为直径340 mm的圆形区域。
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  基于中继线圈的电动汽车静态无线充电系统抗偏移性能提升研究

  葛凯梁, 仇钧, 朱海

  电源学报. 2023, 21(6): 35-42. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.35

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  横向偏移问题是无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统在电动汽车领域的应用中面临的主要难题。为提升电动汽车静态无线充电系统抗偏移性能,提出一种基于中继线圈切换的WPT系统。首先,建立了两线圈结构与三线圈结构WPT系统数学模型。其次,研究了两线圈结构与三线圈结构WPT系统抗偏移性能,通过结合两线圈结构与三线圈结构的优势,提高系统整体抗偏移能力。最后,搭建样机进行实验验证,结果表明,在横向偏移距离为线圈尺寸50%的范围内,系统输出效率均达到85%以上。
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  SS型PT对称磁耦合无线电能传输系统特性分析

  胡鹏, 杨庆胜, 王宁, 宁艳, 曹佳佳, 徐妍

  电源学报. 2023, 21(6): 43-48. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.43

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  为深入分析PT对称系统的电路特性,给实际系统设计提供理论准则,基于电路理论,从系统的工作原理出发对系统进行建模,证实了PT对称系统的工作机制实质为实本征态机制,并给出了系统结构以及运行模式和系统参数之间的数学关系,为实际系统的设计提供了参数准则。在此基础上,对比分析了不同实本征态的阻抗特性及能效特性,为实际系统的工作模式选取提供了理论依据。
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  三线圈无线电能传输系统分段补偿技术研究

  侯信宇, 夏卉, 石勇

  电源学报. 2023, 21(6): 49-56. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.49

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  多中继无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统可通过切换系统工作频率的方式实现恒流或恒压输出,以满足不同的用电设备需求。当系统运行在恒压工作频率时,存在部分线圈及谐振电容端电压骤增的现象,可能造成安全隐患。针对该问题,提出一种基于分段补偿的多中继WPT系统耦合机构及补偿电容的改进设计方法。首先,研究了三线圈WPT系统的补偿电容端电压与输入直流电压的电压比随工作频率的变化情况。其次,研究了分段补偿原理,并定义了多中继WPT系统线圈端电压指标作为分段数选择的重要参照标准。最后,搭建了基于分段补偿的三线圈WPT系统实验平台。实验结果表明,分段补偿方法能有效降低谐振电容端电压,提高系统的可靠性与安全性。
能信同传技术
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  同轴旋转型MC-WPT系统电能与信号并行传输方法

  王云柳, 卿晓东, 吴学颖

  电源学报. 2023, 21(6): 57-65. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.57

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  针对同轴旋转型MC-WPT系统,提出一种基于同轴环形六绕组耦合机构的电能与信号并行传输方法。首先,建立六绕组耦合机构数学模型,给出电能与信号传输通道间的交叉耦合参数表达式。其次,结合有限元仿真,分析各绕组相对位置关系与电能与信号通道交叉耦合之间的关系,并在此基础上给出通道间实现解耦的条件。随后,分析并设计系统电能传输部分的补偿网络参数与特性,给出信号传输部分的信号发射与接收电路结构。最后,搭建MC-WPST系统实验原理样机,实验结果显示,所提出六绕组耦合机构对电能串扰以及开关噪声的基波部分有较好的抑制作用,在系统输出功率为150 W时实现了基于幅移键控的速率为19 200 bit/s的信号传输。
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  3FSK能量调制式无线功率与信息同步传输技术

  宋纯, 柴琳, 陆江华, 马伯乐

  电源学报. 2023, 21(6): 66-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.66

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  针对无线功率与信息同步传输SWPIT(simultaneous wireless power and information transfer)技术中出现的共享通道传输可用谐振频率少,无法保证载波传输效率的问题,提出了一种基于双LCC电路实现3FSK调制的三频谐振的SWPIT技术。相较于传统的2FSK调制电路,所提电路优势在于:采用三谐振频带,系统载波均使用谐振频率,避免了对系统谐振频率的利用率低、传输效率低等缺陷;使系统在3种频率下正常工作,可实现全双工,提高了工作效率。所做的工作包括:低阶及高阶电路谐振腔的谐振条件分析;参数设计及频率选择;解调信号。同时,通过Simulink仿真及实验样机搭建了150、177和48 kHz的实验平台,验证了所提3FSK能量调制式技术的可行性。实验样机显示,在3种频率下,接收侧输出电压稳定且幅值为直流输入电压的4/π倍,达到恒电压输出的目标。
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  基于磁耦合谐振式海下无线电能与信息共享耦合线圈分时传输方法

  张杰, 赵航, 许知博, 周磊, 杨磊, 张元启

  电源学报. 2023, 21(6): 74-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.74

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  磁耦合谐振式无线电能传输和电场感应式无线电能传输是当前研究热点。能量传输往往伴随着信息传输,所以海下无线信息的传输也逐渐受到重视并发展。为此提出一种具有共享通道的无线电能与信息传输系统,使功率和信息可以在同一信道进行传输。在一个开关周期中,电能在前半个开关周期传输,数据在后半个开关周期传送。数据通过频移键控FSK(frequency-shift keying)调制方法进行调制,功率传输的频率设置为285.02 kHz。采用二进制频移键控2FSK(binary frequency-shift keying)调制方法,2个信号载波的频率分别设置为1 MHz和2 MHz。水槽实验平台采用35%盐水模拟海水环境。仿真和实验结果很好地验证了理论分析和计算,证实了电能和信息共享通道进行无线传输的系统对海下电气设备进行供电和数据传输的可行性。
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  水下无线电能传输系统数据采集与信息处理方法研究

  赵航, 张杰, 许知博, 贾静, 杨磊, 冯保祥

  电源学报. 2023, 21(6): 84-93. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.84

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  针对水下无线电能传输系统的数据采集与信息处理开展了系统研究。对于水下的无线电能传输系统,考虑到了复杂多变的水下环境对电能和信息传输产生一定程度的影响。海洋环境会受到温度、压力等一些环境因素的扰动,因此水下电能传输的介质具有不确定性,会对电能发送端和电能接收端的电磁场耦合产生影响,影响到水下无线电能传输的稳定性,导致海水中的无线电能传输系统的传输功率和传输效率发生改变。为此需要对水下的海洋环境信息进行实时采集,并分析对水下无线电能传输系统的电路参数和传输效率产生的影响。搭建了基于多种传感器的信息搜集与处理系统从而实现实时海洋数据采集,有效解决了水下数据的获取问题,提高了数据采集和数据处理效率。研究了海水的相对磁导率、电导率以及相对介电常数等系统信息和能量传输的影响规律,重点分析了温度和压力对无线电能传输的影响。
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  脉冲调制式无线电能与信息同步传输系统设计

  秦庆磊, 王中训, 穆鹏华

  电源学报. 2023, 21(6): 94-101. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.94

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  针对无线电能传输系统闭环控制需要建立通信链路的问题,提出了一种副边反射式脉冲调制方法。根据理论分析,设计了副边开关管调制信息,由原边减法放大器、波峰跟随器和数模转换器组成的智能跟随解调电路解调信息,配合具有纠错功能的二进制脉冲编码方案,实现无线电能与信息同步传输。详细论述了解调电路结构和脉冲编码实现方法,并使用集成于原边处理器内的解调电路方案制作200 W实验装置。通过系统测试,信息传输速率2 kbps时,误码率小于1.5%,电能损耗小于1%,受负载与传输距离的变化影响是可控的。该方法使用元件少,集成度高,满足系统闭环控制的需求。
建模与控制策略
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  磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法研究

  张杰, 赵航, 许知博, 周磊, 杨磊, 张元启

  电源学报. 2023, 21(6): 102-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.102

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  在实际应用中,无线电能传输系统两耦合线圈之间的相对位置变化会使系统参数发生改变,导致系统处于失谐状态,电能传输效率降低。针对系统失谐问题,提出了一种变电容调谐控制策略,通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容,调制等效电容值与线圈感抗满足谐振条件,从而使系统始终处于谐振状态,可使系统发射端线圈和接收端线圈之间的传输效率达到最高。建立仿真模型,搭建基于串联-串联型谐振补偿拓扑结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统实验样机,进行了变电容调谐控制实验。实验结果表明,在谐振频率为100 kHz、输入电压为20 V的情况下,样机能够实现无线电能稳定可靠传输,证明了该变电容调谐控制方法的有效性。
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  基于ADRC的LCC-S谐振型无线充电副边闭环控制研究

  苏建强, 任凯斌, 刘利强, 齐咏生

  电源学报. 2023, 21(6): 111-119. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.111

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  针对磁耦合谐振式LCC-S无线充电系统工作过程中易受外界或自身参数扰动的影响导致输出电流、电压偏离目标值的问题,以及如何快速准确地对扰动情况做出反应,提出一种基于自抗扰控制ADRC(active disturbance rejection control)的副边恒流恒压二段式闭环控制方法。首先,通过电路分析研究了LCC-S型谐振网络的输出特性与系统参数的关系;其次,为实现闭环精准调控系统输出,建立副边Buck变换器的状态方程模型,并根据模型设计ADRC中跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈;最后,搭建基于ADRC的无线充电实验平台,在多参数扰动下比较ADRC控制器与PI控制器的控制效果,结果表明,ADRC控制器表现出更好的动态调节能力。
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  基于线性自抗扰控制的无线电能恒压无通信传输方法

  彭思敏, 张慧成, 吴铁洲, 田勇

  电源学报. 2023, 21(6): 120-128. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.120

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  针对负载动态变化易导致磁耦合无线电能传输系统传输效率低、输出电压波动大的问题,提出一种基于线性自抗扰控制的无线电能恒压无通信传输方法。该方法在系统的输入端采用锁相环跟踪谐振频率,并采用扰动观察法实现最小输入功率跟踪;同时,在输出端采用基于线性自抗扰控制的移相半控整流电路控制策略,使系统工作于恒定电压输出、高效传输的状态,且系统输入端与输出端之间无需通信。仿真结果表明,当负载和参考电压发生变化时,系统的输出电压始终恒定在参考值,系统传输效率保持在90%左右。
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  低速转动多负载MCR-WPT系统研究

  陈旭玲, 许欣慰, 刘成, 田婷, 董硕

  电源学报. 2023, 21(6): 129-135. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.129

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  目前,磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetic coupling resonance-wireless power transmission)的研究主要集中在单发射多负载静止和单发射单负载转动2种形式。通过对单发射低速转动多负载状态下的系统进行研究,建立单发射多负载系统并进行理论分析,使用COMSOL对静止状态下多负载接收线圈进行仿真,设置静止状态与旋转状态作对比实验,分析接收端转动对MCR-WPT系统传输效率的影响,探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明,在低速转动三负载时,系统能够保持稳定的功率输出,单个负载的传输效率可以达到23.260%,总传输效率达到69.768%,低速转动对传输效率影响较小。
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  一种频率和功率可调的固态微波功率源

  赵发定, 黄钟

  电源学报. 2023, 21(6): 136-143. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.136

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  现有大功率无线能量传输系统多采用磁控管作为射频源,虽输出功率高,但带宽较窄且质量重,不利于系统集成,为此设计了一套功率和频率可调的固态微波功率源。该微波功率源采用具有宽带特性的放大器件和反馈调节方式,获得了较宽的带宽和输出功率动态范围。系统集成在28 cm×19 cm×10 cm的机箱中,具有体积小、可靠性高、散热性能良好和重量轻等优点,在无线能量传输/环境射频能量收集(模拟环境中射频能量产生设备,如基站、WIFI等)系统中具有很强的工程应用价值。在室温环境下,测试结果表明该固态微波功率源频率可调范围为0.7~2.8 GHz,频率调节步进为1 MHz,最大频率偏移量<0.3 MHz;功率可调范围为20.0~39.5 dBm,输出功率最大误差为±0.5 dB。此设计方法为高功率微波功率源研究与设计提供了一定指导。
耦合机构设计与优化
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  电动汽车无线充电磁耦合器屏蔽层的优化设计

  李卓玥, 王春芳, 魏芝浩, 满恩彤, 谭欣雨

  电源学报. 2023, 21(6): 144-151. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.144

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  针对电动汽车车载无线充电磁耦合器体积和重量大、铁氧体易碎裂的问题,提出了一种由铁氧体磁片、纳米晶带材及铝箔构成的复合屏蔽层磁耦合器。通过Maxwell分别对铁氧体和四种纳米晶磁芯的性能进行分析和比较,在机器学习得出磁耦合器最优磁芯结构的基础上,优化设计了复合屏蔽层结构及各部分材料构成比例,与传统铁氧体磁片和铝板构成的磁耦合器相比,所提出的复合屏蔽层磁耦合器在减小了体积和重量的同时,互感和耦合系数分别提高了8.2%和0.7%,成本减小了47%。最后搭建了传输距离为12 cm的实验平台进行了验证。
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  部分元等效电路理论在无线电能传输系统中的应用研究

  李巍, 柯俏俏

  电源学报. 2023, 21(6): 152-160. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.152

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  磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借其传输距离远、传输效率高等优势逐渐成为了无线电能传输方面研究的热点,而磁耦合谐振系统的设计和优化依赖于准确的参数计算和系统性能计算。针对这一问题提出采用部分元等效电路PEEC(partial element equivalent circuit)法进行计算。首先介绍了PEEC的基本理论以及部分参数的计算方法,然后建立耦合线圈的部分元等效电路模型,对平面矩形螺旋线圈的自感和互感进行计算,通过计算结果和实验结果的对比验证了PEEC法计算参数的高效性和准确性。在此基础上,分别建立了双线圈系统和单共振磁耦合谐振式无线电能传输系统,采用PEEC法结合电路法对2个系统的传输特性分别进行了研究和分析,并通过与有限元法计算结果的对比,验证了所提方法的准确性和快速性。
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  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

  夏晨阳, 任刚, 韩毅, 羌颖, 颜天煜, 张兆丞

  电源学报. 2023, 21(6): 161-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.161

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  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%。
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  基于双耦合线圈的无人机轻量化无线充电耦合机构设计

  李阳, 安张磊, 孟航, 寇苏雅, 蒲晓飞

  电源学报. 2023, 21(6): 168-175. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.168

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  针对中大型无人机无线充电需求,设计了一种双耦合线圈无人机无线充电耦合机构,该耦合机构在满足无人机接收侧轻量化设计的同时,具有较高的传输能效与一定的抗偏移能力。双接收线圈安装在无人机双侧底部支架位置,双发射线圈安装在与无人机支架倾斜角度相同的梯形发射平台上,以减小无人机大范围偏移,同时采用顺向串联的形式,保证无线充电的均匀性。采用串联-串联S-S(series-series)补偿结构,运用有限元仿真,对比分析耦合线圈不同参数对传输效率的影响,以轻量化为原则对耦合线圈进行优化设计。通过搭建无人机无线充电实验系统进行验证,结果表明,该耦合机构可有效地对无人机电池以1.2 kW功率进行充电,传输效率为95.554%,无人机侧耦合机构质量为320 g,符合无人机耦合机构轻量化设计需求,且具有一定的抗偏移能力。
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  动态无线充电用主从协同式接收线圈设计与研究

  李振杰, 杨学智, 马骏, 班明飞, 刘一琦

  电源学报. 2023, 21(6): 176-183. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.176

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  基于分时工作原理,提出了一种空间占用率低、控制简单的主从MA(main-auxiliary)协同式接收线圈,可以有效提高动态无线充电DWC(dynamic wireless charging)系统的抗错位能力。首先,设计了MA线圈的结构和电路拓扑,两个从线圈(A线圈)反向串联,对称分布在主线圈(M线圈)的两侧。其次,基于分时工作原理计算了MA线圈在侧移方向(y方向)上的输出性能,A线圈仅在发生侧移时工作并提高总输出功率。进一步,通过仿真确定了主从线圈宽度w_M和w_A的最佳比例,比较了此情况下MA线圈与方形线圈的有效侧移范围和抗侧移性能。最后,搭建了实验样机。实验表明MA线圈的有效侧移范围达到0.183τ,相比同尺寸下方形线圈的性能提升了23%。
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  无人平台野外无线充电线圈设计与优化分析

  许非凡, 魏曙光, 袁东, 李嘉麒

  电源学报. 2023, 21(6): 184-194. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.184

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  野外陆战环境下无人平台进行无线充电时,发射端和接收端耦合线圈的偏移和偏转会导致耦合线圈互感变化较大,为了解决这一问题,需要对无人平台无线充电时使用的耦合线圈进行特殊的结构设计。首先分析野外陆战环境下无线充电的战技指标,为实现螺线管 SP(solenoid pad)型线圈和DD(double-D)型线圈的优势互补,设计满足野外陆战环境无线充电的高适应性的耦合线圈,提出了一种SP-DDP双层组合线圈(double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad),并对该结构的线圈参数进行优化。仿真及实验结果表明,优化后的线圈能够实现尺寸200 mm×200 mm×7.8 mm的条件下,在传输距离50 mm、X轴方向偏移160 mm、Y轴方向偏移120 mm时互感变化幅度小于20%,提出的线圈结构具备抗偏移、抗偏转特性。
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  水下磁耦合式无线电能传输系统建模与分析

  赵航, 张杰, 许知博, 贾静, 杨磊, 冯保祥

  电源学报. 2023, 21(6): 195-203. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.6.195

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  无线电能传输技术是解决水下设备续航问题的有效手段,但无线电能传输技术在水下应用时会受到海洋环境的影响。针对水下磁耦合式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)系统,论述了磁耦合式无线电能传输系统的系统组成,建立了水下磁耦合式无线电能传输系统电路模型,并对海洋环境中产生的涡流损耗进行了定量分析。根据海洋环境分析了海水水流冲击对磁耦合式无线电能传输系统影响,并搭建实验平台进行验证。