近年來,無線能量傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)以其靈活多變的傳輸方式和嚴(yán)峻環(huán)境下所提供的供電安全性能而受到廣泛關(guān)注。該項(xiàng)技術(shù)的引入將使電能的生產(chǎn)、輸配和使用途徑更加寬廣、方式更加多樣化。無線能量傳輸可基于多種轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn),其中感應(yīng)式能量傳輸(Inductive Power Transfer,IPT)的應(yīng)用最為廣泛。IPT系統(tǒng)在功率變換架構(gòu)上與傳統(tǒng)的諧振變換器非常類似,但其變壓器的松耦合性質(zhì)引入了諸多機(jī)械、磁路、電路層面的特殊問題。據(jù)此,本文從松耦合諧振變換器的特殊性入手,研究了其多域建模與多目標(biāo)優(yōu)化問題。首先,利用多目標(biāo)優(yōu)化觀點(diǎn)和有限元分析的手段,提出了一套簡潔通用的變壓器評價(jià)和構(gòu)造理論,以解決松耦合變壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)、漏磁和效率的綜合優(yōu)化問題;其次,研究和對比了常規(guī)補(bǔ)償拓?fù)湓趯挿秶r下不同維度的性能,提出了補(bǔ)償拓?fù)涞亩嗄繕?biāo)評價(jià)機(jī)制,并提煉了通用的設(shè)計(jì)原則;以此為基礎(chǔ),對LCL型IPT系統(tǒng)時(shí)域和頻域進(jìn)行解析建模以確定變換器在多尺度下的行為特性;最后解決了IPT系統(tǒng)對耦合敏感的共性問題,拓展了系統(tǒng)的適用范圍。耦合線圈是無線能量傳輸?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu),也是決定系統(tǒng)性能的核心。本文以效率指標(biāo)為分析起點(diǎn),結(jié)合有限元數(shù)值仿真與理論計(jì)算,建立了精確的耦合損耗模型。在此基礎(chǔ)上,對各設(shè)計(jì)自由度與效率、功率密度、EMI等關(guān)鍵指標(biāo)的連動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了定量描述,并從實(shí)用角度系統(tǒng)論述了耦合線圈各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)間的制約。所提方法構(gòu)建了對耦合線圈功率傳輸能力、效率、漏磁水平和功率密度等指標(biāo)的綜合評估方法,實(shí)現(xiàn)了多變量約束下線圈各指標(biāo)間的均衡最優(yōu)。最后,在實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造了直徑為38cm的圓形對稱線圈,在氣隙間距為15cm的情況下,效率達(dá)到95.54%且漏磁不超過19.2uT,觀測值與損耗模型和有限元數(shù)值模型形成良好對應(yīng)關(guān)系,驗(yàn)證了該方法的有效性。補(bǔ)償拓?fù)涫荌PT系統(tǒng)的基本構(gòu)成部分,不同補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下的諧振變換器呈現(xiàn)較大性能上的差異。因此,針對典型應(yīng)用場景,構(gòu)建系統(tǒng)全面的評價(jià)指標(biāo)是合理選擇補(bǔ)償拓?fù)涞幕A(chǔ),也是確定研究對象的關(guān)鍵。本文第三章歸納了松耦合諧振變換器的常見補(bǔ)償拓?fù)?闡述了不同補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)原則,并從無功補(bǔ)償能力、固有傳輸效率、增益穩(wěn)定性等方面對各補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行了細(xì)致的比較。對比較結(jié)果進(jìn)行綜合后,描述了不同補(bǔ)償拓?fù)湓趯捁ぷ鞣秶鷥?nèi)的性能差異,并提煉出其適用范圍。此章通過對比,挖掘了LCL型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良特性,并選取其作為后文分析對象。在前文的基礎(chǔ)上,本文探討了降階模型在LCL型LCRC中的應(yīng)用,并依據(jù)此建立了通用的LCL型諧振變換器時(shí)域/頻域模型。在時(shí)域模型方面,考慮高次諧波的影響,對高次諧波作用下的諧振腔進(jìn)行降階處理,建立了統(tǒng)一的諧波阻抗解析表達(dá)式,輔助求解諧振腔穩(wěn)態(tài)時(shí)域波形。結(jié)合穩(wěn)態(tài)時(shí)域分析,可以詳細(xì)指導(dǎo)諧振腔參數(shù)設(shè)計(jì),保證寬耦合和寬負(fù)載段內(nèi)的ZVS條件以及較高的功率因數(shù)。而在頻域模型方面,利用擴(kuò)展描述函數(shù)法對直-交-直系統(tǒng)中的AC變量與DC變量進(jìn)行了解耦,在遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率的時(shí)間尺度下建立了大信號模型,并進(jìn)一步抽取了其小信號模型的低頻段特征,證明了6階LCL型LCRC的頻域行為實(shí)質(zhì)上可以用2階欠阻尼等效系統(tǒng)代替,且不會(huì)損失瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的描述精度。所提出的等效降階模型大大簡化了系統(tǒng)頻域模型的分析,并能有效指導(dǎo)控制器的設(shè)計(jì)。利用該等效降階模型,對穩(wěn)定性邊界與特征頻率紋波等現(xiàn)象進(jìn)行了預(yù)測,通過結(jié)合PI控制器與陷波器的特性,在平抑輸出紋波的同時(shí),可以獲取更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度。最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的精確性和所提出解決方案的有效性。針對LCL型IPT系統(tǒng)功率傳輸特性易耦合系數(shù)影響的問題,提出一種基于LCL的改進(jìn)型拓?fù)?以適應(yīng)大范圍耦合系數(shù)的變化。本章從平滑輸出功率的角度出發(fā),定量分析了電壓增益和輸出阻抗角與耦合系數(shù)和無源元件參數(shù)的關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn),功率特性隨耦合波動(dòng)呈現(xiàn)為單峰曲線,且在峰值左右變化較為平緩。因此,可通過參數(shù)設(shè)置將耦合區(qū)間定位至峰值點(diǎn)附近,從而獲取較為平穩(wěn)的功率特性。在具體實(shí)施上,通過對LCL型諧振腔增加一階自由度,構(gòu)造了三元件補(bǔ)償?shù)腖CC拓?fù)?實(shí)現(xiàn)了耦合系數(shù)大范圍波動(dòng)情況下輸出功率近似恒定。與常規(guī)拓?fù)湎啾?該補(bǔ)償拓?fù)鋵︸詈舷禂?shù)的敏感性大大降低。最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM724
【部分圖文】：

但同時(shí)容易惡化線圈其他屬性。的現(xiàn)有研究動(dòng)機(jī)可分為兩類，一部分工作側(cè)重容量作為主要優(yōu)化目標(biāo)，以圓形線圈為例，；文獻(xiàn)[60-62]提出一種雙極性（BP）磁路結(jié)構(gòu)獲得不同工況下的最佳傳輸能力。借鑒 BP 型磁路的 DD型線圈，相比圓形的單極型線圈將磁位置下的耦合強(qiáng)度；以 DD 型線圈為基礎(chǔ)，在成 DDQ 型線圈[63]；該類型拾取機(jī)構(gòu)可以提高取線圈的思路也被應(yīng)用于立體結(jié)構(gòu)，以同時(shí)輸能力[64,65]；另一種三極型線圈于最近被提和相位，可以得到合成的指向性磁場以適應(yīng)不難發(fā)現(xiàn)，該類研究更加關(guān)注如何優(yōu)化磁路以提線圈尺寸的考慮，使得上述工作難以很好地指

體工作在諧振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振震蕩回路增強(qiáng)了諧振體間的電磁耦合，并為能夠在較遠(yuǎn)距離內(nèi)傳輸。這一基于“共振”缺乏對等效電路及其模態(tài)的描述；另一方面振構(gòu)造電壓電流過零點(diǎn)，為軟開關(guān)創(chuàng)造條件件諧振”觀點(diǎn)，亦不能很好地解釋 LCRC 中于松耦合變壓器的漏感較傳統(tǒng)緊耦合變壓器此發(fā)生了改變。漏感的顯著增大，使得諧振件電壓電流應(yīng)力，進(jìn)而降低了系統(tǒng)效率。因以抵消漏感對無功環(huán)流的貢獻(xiàn)[13,36,72]；另一磁路的改變，使得等效電路的參數(shù)亦隨之變申出另一要求，即諧振腔需要補(bǔ)償由于寬范 輸出特性關(guān)于參數(shù)變化的敏感程度[37,73-75]。

原副邊單元件拓?fù)溲a(bǔ)償關(guān)系示意圖
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2857601