谐波有源化和能量注入式的分数阶开关电容型MCR-WPT功效优化与鲁棒性调控
批准号:
62071406
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
何良宗
依托单位:
学科分类:
电路与系统
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
何良宗
中文摘要
发展MCR-WPT技术对推动电动汽车高效高质无线充电具有重要意义。针对传输功效在高频大功率变流下的瓶颈,和易受变距离、变负载、变参数等因素诱导的问题,本项目拟开展谐波有源化和能量注入式的分数阶开关电容型MCR-WPT的研究。首先探索谐波有源化和能量注入式的传输机制并构建相应系统架构,研究该构架下的高性能变流方法,优化系统功效特性;其次,阐明基于开关电容变流原理的分数阶电容有源化、低损耗、低应力、高精度的构建方法,从底层器件层面为系统内生调控自由度,并获得谐波基频化传输;在此基础上,通过对含多形态、多时间尺度子电路系统的定性化描述,解析功效特性与多因素之间的耦合机理,揭示其受局部时变因素诱导的演变规律;同时,深入研究各子电路自优化运行及子电路与主回路间的多个目标协调运行控制。最终阐明所提MCR-WPT功效优化与鲁棒性调控的机理与方法,为电动汽车等大功率装备中等距离高质量无线充电提供理论基础。
英文摘要
It is of great significance for promoting efficient and high-quality wireless charging of electric vehicles to develop MCR-WPT technology. Due to the bottleneck of transmission power-efficiency at high frequency and high power conversion, as well as the problem induced by variable distance, variable load, variable parameters and other factors, this project plans to carry out the research on fractional order switched-capacitor MCR-WPT of harmonic active and energy injection. Firstly, explore the transmission mechanism of active harmonic and energy injection, construct the corresponding system. Then study the high-performance converter method under the framework in order to optimize the system power-efficiency characteristics. Secondly, expound the construction method of fractional capacitor with activation, low loss, low stress and high-precision based on switching capacitance converter principle. In this case, control the freedom of the internal system from the bottom level of the device, and obtain the harmonic fundamental frequency transmission. On this basis, through qualitative description of the sub-circuit system with multi-topology and multi-time scale, analyze the coupling mechanism between power-efficiency characteristics and multi-factors, and reveal the evolution law induced by local time-varying factors. At the same time, the self-optimized operation of each sub-circuit and the coordinated operation control between the sub-circuit and the main circuit are deeply studied. Finally, clarify the mechanism and method of the mentioned MCR-WPT power-efficiency optimization and robust regulation, which provides a theoretical basis for high-power electric vehicles to be equipped with medium-distance and high-quality wireless charging equipment.
本项目针对高频大功率变流场景下无线电能传输(WPT)系统存在的传输效率低、鲁棒性差等关键问题,围绕谐波有源化、分数阶电容调控及多目标协调优化等核心方向展开研究,旨在突破传统WPT系统在变负载、变距离、变参数等复杂工况下的技术瓶颈,为新能源汽车无线充电等领域提供高效可靠的解决方案。主要研究内容与成果包括: .1. 创新拓扑与调控方法:提出有源钳位型E类逆变电路,引入辅助谐振回路实现全范围零电压开关(ZVS),开关管电压应力降低30%,功率调节范围达50%-150%;设计开关电容型E类整流器,整合整流与功率调节功能,功率密度提升30%。 .2. 分数阶电容技术:首创三次谐波注入式与线圈钳位式分数阶电容结构,通过自适应调控实现负载/互感变化下的恒流输出,系统效率最高达93.2%,输出电流误差小于6%。 .3. 高效补偿网络与鲁棒控制:提出高阶补偿网络建模方法,实现宽负载下恒流/恒压输出(效率91.96%);结合物理信息神经网络(PINN)开发参数识别模型,误差小于5%;设计PT对称WPT系统,强耦合区域内功率与效率波动低于5%。 .4. 无电源分数阶电容(P-FOC)应用:提出无外置电源的P-FOC结构,实现零相角输入(ZPA)和宽范围软开关,样机效率达94.3%,为WPT系统高效鲁棒调控提供了新范式。 ..关键数据与科学意义 .- 授权国家发明专利17项,转让/许可3项,发表SCI论文31篇(中科院一区25篇),出版专著1部。 .- 实验验证:自适应谐振发射端使输出功率提升15%,系统效率提高5%;可变电感结构WPT系统在15%线圈偏移内保持恒定输出,效率达92.24%。 .- 科学意义:首次将分数阶电容引入WPT系统,构建了多维度调控理论框架,推动了电力电子技术与非线性动力学的交叉融合,为高动态复杂场景下的无线电能传输提供了新思路。 ..应用前景 .成果已应用于新能源汽车无线充电系统,显著提升效率与抗偏移能力;在消费电子、智能家居等领域具备推广潜力。项目培养博士3名、硕士5名,团队获福建省科技进步二等奖等4项奖励,并新获批国家自然科学基金面上项目(62471419),为后续技术产业化奠定了坚实基础。
开关电容型电子电力变压器的模块化集成优化与柔性控制方法
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批准号:61671400
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项目类别:面上项目
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资助金额:58.0万元
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批准年份:2016
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负责人:何良宗
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依托单位:
国内基金
海外基金