基于偏置线圈的无线电能传输系统研究

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无线电能传输系统线圈偏移研究综述:分析,效率提升与定位(英文)

无线电能传输系统线圈偏移研究综述：分析,效率提升与定位
(英文)
严茂水;廖承林;陶成轩;王丽芳
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2013(0)S2
【摘要】线圈偏移在实际无线电能传输系统中经常出现,而偏移可能造成系统传输效率下降和系统不稳定。

本文从理论计算线圈互感和传输效率以及仿真的角度对存在线圈偏移的无线电能传输系统进行分析。

据此,本文介绍了现有的效率提升方法。

线圈设计和阻抗网络设计已证明能有效地提升系统对线圈偏移的忍受度。

本文还介绍了线圈定位技术,线圈定位可以使电动汽车更加方便地停靠进行无线充电。

【总页数】6页(P1-6)
【关键词】无线电能传输;线圈偏移;分析;效率;定位
【作者】严茂水;廖承林;陶成轩;王丽芳
【作者单位】中国科学院电力电子与电力驱动重点实验室,电工研究所;中国科学院
大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM724
【相关文献】
1.三线圈无线电能传输系统建模与传输效率分析 [J], 吴蓉;王朝;张尚;许利沙
2.无线电能传输系统线圈的偏移特性研究 [J], 赵忠胜
3.无线电能传输系统线圈的偏移特性研究 [J], 赵忠胜
4.线圈偏移对无线电能传输效率的影响及优化 [J], 刘璐;徐桂芝;石凯凯;曹智阳
5.多中继线圈的无线电能传输系统效率分析(英文) [J], 李中启;黄守道;杨民生;袁小芳
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线圈偏移对无线电能传输效率的影响及优化

线圈偏移对无线电能传输效率的影响及优化摘要：无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT）是指电能不通过电气直接接触从电源侧传递至负载侧的传输方式。

该技术有效地解决了电线老化、摩擦等问题，使人类摆脱了“有线”的束缚，被广泛应用于电动汽车、植入式医疗器件、生物医学实验、电子产品等方面，极大地方便了人们的生活。

无线电能传输技术主要分为感应式WPT、微波式WPT以及磁耦合谐振式WPT三种，其中，磁耦合谐振式WPT作为一种传输距离较远、效率高、功率大、潜在实用价值高的中距离传输技术，受到各国学者的关注。

随着科技的进步，无线充电技术受到广泛重视。

对于电子产品来说，无线充电不存在充电接口，可以提高产品的防水性能，避免充电接口的不兼容问题，能够实现智能化自动控制，省去了充电线等连接器件，大大提高了电子产品的便携性。

无线充电技术发展方向忽略了无线充电系统的传输距离、传输效率、多端接收等问题。

对磁耦合式多接收端无线电能传输系统进行研究，建立了传输特性方程和功率传输方程，进行传输特性分析，制作实验样机验证了设计的磁耦合式双接收端无线电能传输系统具有传输距离远、传输效率高、可进行群充等优点。

基于此，本篇文章对线圈偏移对无线电能传输效率的影响及优化进行研究，以供参考。

关键词：线圈偏移；无线电能传输效率；影响；优化措施引言磁耦合无线电能传输（ＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，ＭＣ－ＷＰＴ）系统基于电磁场耦合原理，结合高频变换及谐振补偿等技术打破了传统电能传输的局限性，脱离了导线对用电设备的限制，可应用在新能源汽车无接触快速充电及智能手机无线充电等领域。

由于ＭＣ－ＷＰＴ系统避免了金属导片易产生火灾的隐患，对于煤矿井下含有易燃易爆气体的工作环境，ＭＣ－ＷＰＴ系统可提高工作安全性。

ＭＣ－ＷＰＴ系统自然振荡频率与预设谐振频率一致可使系统频率稳定，保证系统工作在期望状态。

基于中继线圈的无线电能传输技术拓扑结构的研究

1概述2006年11月,美国麻省理工学院M ar i n Sol j aci c 教授于在美国A I P 工业物理学论坛上明确提出磁共振式无线能量传输技术[1],并且理论上论证了该技术用于传递能量的可行性,在2007年进行了基本了实验验证[2],技术被定名为“W i t r i ci t y ”。

M I T 于2009年3月在物理学年报(A nnal s of Phys i cs )上发表了磁共振式无线能量传输技术研究方面的新成果[3],该文描述了另一种传统的能量传输机制,在能量流发生的第三个相同谐振体之后,这一机制提高了系统的效率。

M I T 最新的研究成果是发表于2010年1月份应用物理学期刊(A ppl i ed Phys i cs Let t er s )上关于中距离多接收装置同步供电系统的文章[4]。

现在很多国内的研究机构都在研究磁共振无线能量传输技术,在2008年以来,一个由哈尔滨工业大学朱春波教授带领的研究小组一直在进行一系列的基础研究,对中频谐振系统的电路理论和电磁波分析[5],已确定了最佳的连接条件,实验采用集中参数元件构成谐振体,能在70cm 传输距离下实现23W 的能量传输。

华南理工大学张教授领导的研究小组从理论角度分析了谐振耦合的工作原理,得到了无线能量传输及传输效率与距离、频率、线圈参数之间的关系,提出了获得最大传输效率的条件及优化设计方法,并用实验进行了验证[6]。

基于谐振变换器的设计方法和LC 串联谐振和并联谐振的概念,文献[7]提出串-串(Ser i es -Ser i es ,SS)、串-并东等在上海[5]观测到N O 3-和SO 42-的浓度变化也呈现这种反相特征。

究其原因,主要有以下两点:①南京市夏季气温相对其他季节较高,PM 2.5中N H 4N O 3在30℃以上开始逐渐分解为N H 3和H N O 3,白天虽有硝酸盐生成,但总硝酸盐在下降。

②颗粒相硝酸盐在光照下,还可以分解生成H O N O 等氧化性物质和N O 3等自由基,加剧光化学反应,大量生成O 3,并消耗N O x ;同时促进SO 2的气相均相氧化反应,致使硫酸盐生成量增加。

无线电能传输系统线圈的偏移特性研究

20201农业工程与装备作者简介：赵忠胜（1979-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：机械电气及无线传输。

无线电能传输系统线圈的偏移特性研究赵忠胜（中车株洲电机有限公司，湖南株洲412001）摘要：文章对无线电能传输系统线圈的偏移特性进行了研究，分析了耦合系数对系统电能传输效率的影响，采用有限元分析软件Maxwell 和Simplorer 设计了线圈模型，并搭建了WPT 系统模型，并进行了联合仿真、偏移实验，并研究了谐振频率对系统传输效率和功率的影响，然后对数据进行分析。

根据仿真结果表明，偏移距离增加会使输出功率和效率都降低，谐振频率的升高会提高系统的传输效率。

关键词：无线电能传输技术（WPT ）；线圈；耦合系数；有限元分析无线电能传输技术是基于电磁感应原理，把传统变压器的原副边分开，通过磁场耦合的方式来实现电能的传输[1]。

无线充电与有线充电相比，具有操作便捷、能适应极端环境、无电火花等优点。

近年来，世界各地掀起了无线电能传输技术的研究和应用热潮[2-5]。

对于大功率充电设备，无线电能传输装置的输出功率和效率不高是制约其发展的关键因素。

为了提高无线电能传输装置的功率和效率，线圈的设计至关重要。

线圈的性能体现在发射线圈与接收线圈的耦合系数、横向偏移容忍度、纵向抗偏移能力。

目前线圈的类型主要可分为螺线管型和盘型[2-3]。

盘型结构主要有圆盘型和DD 型，以及DD 型衍生出的DDQ 、BP 型[6-7]等。

圆盘型存在传输距离短、抗偏移能力差等问题。

针对上述不足设计了DD 型及衍生的结构，这几种结构一定程度上提升了系统的横向偏移容忍度。

1耦合系数对系统电能传输效率的影响本文分析了线圈的耦合系数对系统电能传输效率的影响。

磁谐振式无线充电系统框图如图1所示，该系统由整流器、逆变器、补偿电路、直流变换器、线圈和负载构成[2-4]。

整个系统的损耗主要包括整流器、逆变器损耗、补偿网络损耗、直流变换器损耗和线圈的损耗。

基于线圈偏移的无线电能传输系统参数优化方法

（3）
对单层平面圆形螺旋线圈之间互感系数 M 的
计算方法为
∑ n1 ∑ n2
M=
Mi j
i=1 j=1
（4）
式中：n1, n2为线圈匝数。图 2 为不同位置的 M，可以看出，纵向偏移
时互感系数波动较大，线圈之间的轴向距离在 2 cm 以上时，系统的传输效率会有明显下降，其值均小于 40 μH，线圈无论是横向偏移还是纵向偏移，均会出现线圈间互感系数降低的现象。 1.2 D-LCC 拓扑结构传输性能分析
基于参数设计自由度及参数选择问题，本文对双边 LCC 进行了进一步的研究，分析双边 LCC 拓扑结构中补偿电感对 MCR-WPT 系统传输性能的影响，引入智能优化算法对系统参数进行合理的优化，实现在系统线圈发生偏移情况下优化系统的传输效率，同时保证负载端的接收功率。
1 D-LCC 拓扑结构的性能分析
通过上述分析发现 D-LCC 拓扑结构下的 WPT 系统在电源及线圈参数确定的情况下，系统的传
100
系统传输效率/%
500 2Fra bibliotek1 r0.10
0.05
00
纵向偏移/m
图 5 纵向偏移情况下 r 对系统传输效率的影响 Fig. 5 Variation of system transmission efficiency at
0 引言
2007 年 Kurs A 团队提出了磁谐振耦合 WPT 系统，该系统在线圈处于同轴位置下，最高传输距离可达 2 m，最高传输效率达到了 90% 以上[1]，该技术以传输距离远、传输效率高等优点成为多个研究团队的主要研究对象 [2-3]。通过对等效电路模型来分析系统的传输性能，在研究过程中通常会引入补偿网络来调节系统的谐振状态，特别是解决变负载，线圈偏移等问题 [4]。随着对系统性能不断提高，陆续引入高阶补偿拓扑结构，例如 SLCL,S-LCC,LCL-LCC,LCC-LCC。双边 LCC 谐振补偿网络因其具有较高的参数设计自由度被广泛关注，文献 [5] 通过对 S-S 拓扑和双边 LCC 拓扑的比较分析发现，当负载发生变化时，系统原边线圈的电流不随其变化，并且 S-S 拓扑所具有的一系列优点也都有保留，但并未对拓扑的参数进行设计。文献 [6-9] 研究双边 LCC 结构下线圈的抗偏移范围，设计参数使系统输出功率和传输效率在最佳耦合系数周围时不受线圈位置的影响，但对于补偿电感的选取规律并未涉及；文献 [10] 研究

基于加载辅助线圈的高效无线能量传输技术

收稿日期：２０１７—０５—２４．基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５７１２３２）
第４５卷第１期２０１８年１月
华北电力大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏａｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖ０１．４５．Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２０１８
ｄｏｉ：ｌ０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１００７ —２６９１．２０１８．０１．０９
０引言
无线能量传输（ｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒ，ＷＰＴ）中的磁耦合共振技术因其具有辐射功率小，传输距离远和效率高等优点，在电动汽车、便携式移动设备、医疗器械、水下潜艇等领域有着巨大应用前
ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｏｖｅｌｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＷＰＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｌｏａｄｉｎｇａｕｘｉｌｉａｒｙｃｏｉｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈａｔｉｓ，ａｎａｕｘｉｌｉａｒｙｃｏｉｌｉｓａｄｄｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇａｎｄｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌｓ．Ｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｌｏａｄｉｎｇａｕｘｉｌｉａｒｙｃｏｉｌｓ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｓｅｌｆ－ｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｃｏｉｌｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｌｌｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ４８％ａｎｄ７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｈｅｎｔｈｅＣＯＵ— ｐｌｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇａｎｄｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌｓａｒｅ０．０１ａｎｄ０．１，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｔｈｅ

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ｓｐｌｉｔｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｔｗｏｃｏｉｌｓａｒｅｔｏｏｃｌｏｓｅ．ＴｈｅｉｆｎａｌｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈａｓｅｔｏｆｈｅｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅｏｆｔｈｅＷｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ
关键词：无线电能传输：频率分裂；偏置线圈
中图分类号：ＴＭ７２
文献标识码：Ａ
Hale Waihona Puke 文章编号：１０００ — １００Ｘ（２０１５）１０ — ００８０ — ０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＢｉａｓｅｄＣｏｉｌｓ
ａｒｅｌａｙｃｏｉｌ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔａｅｓｓｏｆｔｈｅａｂｏｖｅａｎｌｙａｓｉｓ．
第４９卷第１０期
２０１５年１０月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１５
基于偏置线圈的无线电能传输系统研究
蔡涛，沈锦飞
ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｏｒｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ＳＯｈｅｔｃｏｎｃｅｐｔｏｆｔｈｅｂｉａｓｅｄｃｏｉｌｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｒｅａｔｔｈｅｒａｔｎｓｍｉｔ — ｉｒｎｇｃｏｉｌａｎｄｈｅｔｒｅｌａｙｃｏｉｌｏｒｔｈｅｒｅｌａｙｃｏｉｌａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌａｓａｗｈｏｌｅｃｏｉｌ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｉｌ ’ Ｓｎｅｗｒｅｓｏｎａｎｃｅ
（江南大学，电气自动化研究所，江苏无锡２１４１２２）
摘要：为加强无线电能传输（Ｗ）系统中继线圈的灵活性，从而突破更多的物理条件限制，引入了偏置线圈的
概念将发射线圈和中继线圈或者中继线圈和接收线圈视为一个整体线圈，通过求解阻抗矩阵行列式，得出了整体线圈新的谐振频率，避免了两线圈因为距离太近引起的频率分裂对功率传输的影响。最后设计制作了一套带中继线圈的磁共振ｗ系统实验装置，通过实验验证了所提方法的正确性和可行性。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｌｉｔｔｉｎｇ；ｂｉａｓｅｄｃｏｉｌｓ
ＦｏｕｎｄａｉｔｏｎＰｒｏｊｅｃｔｓ：ＳｕｐｐｏｓｅｄｂｙｔｈｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｗｊｅｃｔｓｉｎＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＢＥ２０１３０２５）
ＣＡＩＴａｏ．ＳＨＥＮＪｉｎ — ｆｅｉ（ＪｉｏｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅｌａｙｃｏｉｌｉｎｈｅｔｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（Ｗｆｙｒ）ｓｙｓｔｅｍａｎｄｂｒｅａｋ