【摘要】：無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)作為一種理想的供電方式,以安全性高、充電范圍大和可控性能好等優(yōu)勢,在近年來得到了快速的發(fā)展,并獲得廣泛應(yīng)用。但與此同時,在實(shí)際WPT系統(tǒng)中,發(fā)射線圈與接收線圈間相對位置偏移的客觀存在,會引起系統(tǒng)耦合系數(shù)的變化,導(dǎo)致輸出功率發(fā)生較大波動,降低了無線充電系統(tǒng)的可靠性。因此在對WPT系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)的時候,需要提升系統(tǒng)的抗偏移能力(misalignment tolerance),使其具備較高的穩(wěn)定性與魯棒性,能夠在一定的耦合系數(shù)變化區(qū)間內(nèi)相對平穩(wěn)地傳輸功率。針對以上的問題,本文從平緩傳輸功率波動的角度出發(fā),研究了提高系統(tǒng)抗偏移能力并在寬耦合系數(shù)變化情況下實(shí)現(xiàn)靜態(tài)恒流無線供電的方法。首先,本文介紹了WPT系統(tǒng)的四種基本諧振拓?fù)?并通過搭建互感耦合模型對串-串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特性展開分析,研究了耦合系數(shù)的變化對其輸出功率和效率的影響,闡述了串-串諧振拓?fù)湓诳蛊颇芰ι系牟蛔�。引入雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過對其功率輸出特性的分析,研究雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抗偏移設(shè)計(jì)思路及工作機(jī)理,并以平緩功率輸出為目的,將串-串結(jié)構(gòu)作為比較對象,得出滿足抗偏移特性的參數(shù)關(guān)系;同時,分析了參數(shù)取值對于系統(tǒng)抗偏移區(qū)間及額定輸出功率的影響,在綜合考慮以上兩方面因素的基礎(chǔ)上,以系統(tǒng)實(shí)際耦合系數(shù)的工作范圍為約束條件,提出了一種綜合參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用以提升系統(tǒng)的綜合性能。其次,本文采用基于Buck電路的副邊恒流控制策略,分析了在相同輸入電壓條件下實(shí)現(xiàn)恒流輸出時,三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(串-串、LCC-S、雙邊LCC)的耦合系數(shù)與Buck電路占空比之間的關(guān)系,闡述了雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有提高系統(tǒng)抗偏移和功率輸出的綜合能力,利用Simulink仿真軟件搭建了基于雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜態(tài)恒流無線供電仿真模型,并進(jìn)行仿真用于驗(yàn)證理論分析的正確性。最后,設(shè)計(jì)了一個小功率的WPT實(shí)驗(yàn)平臺用以對以上三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的綜合性能進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)耦合系數(shù)相對額定點(diǎn)發(fā)生上下各24%的變化時,雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率波動保持在12%以內(nèi),遠(yuǎn)低于同等情況下的串-串結(jié)構(gòu),同時額定輸出功率提升了54%,系統(tǒng)效率達(dá)到89%以上,并具備空載限流保護(hù)能力;在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入閉環(huán)控制電路,搭建一套基于雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜態(tài)恒流無線供電系統(tǒng),并在系統(tǒng)耦合系數(shù)發(fā)生從0.17到0.34的兩倍寬范圍變化時,實(shí)現(xiàn)了對阻值分別為8.5Ω、10Ω和12Ω等效負(fù)載的1.4A恒流控制。
【圖文】：

圖 1-2 Flux pipe 型磁耦合機(jī)構(gòu) 圖 1-3 DD-DDQ 型線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，美國麻省理工學(xué)院（MIT）成為促進(jìn) WPT 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要力量。早在 2007 年， Marin Soljacic 領(lǐng)導(dǎo)的課題組創(chuàng)造性地發(fā)明了一種名為“WiTricity”的技術(shù)，基于磁耦合諧振工作原理，該技術(shù)能夠在更遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行能量的傳輸。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究小組利用所搭建的無線供電系統(tǒng)在距發(fā)射端 2m 的位置上，使一個 60W 的燈泡發(fā)光[5]，如圖 1-4 所示。與此同時，由其成立的 WiTricity 公司也開始積極向無線電能傳輸技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。2013 年，Witricity公司針對磁耦合諧振式 WPT 系統(tǒng)創(chuàng)立了自己的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，并于 2014 年生產(chǎn)出面向電動轎車的無線充電裝置 WIT-3000，實(shí)現(xiàn)了 3.3kW 的無線電能傳輸。2016年，Witricity 公司設(shè)計(jì)出一種多功率等級輸出的無線充電裝置，這種裝置能以 3.7kW、7.7 kW 及 11kW 等不同功率等級來適應(yīng)各類型電動汽車的無線供電，整體效率可以達(dá)到 90%以上，同時整套系統(tǒng)還兼顧對汽車發(fā)生偏移情況下的適應(yīng)性。

圖 1-2 Flux pipe 型磁耦合機(jī)構(gòu) 圖 1-3 DD-DDQ 型線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，美國麻省理工學(xué)院（MIT）成為促進(jìn) WPT 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要力量。早在 2007 年，， Marin Soljacic 領(lǐng)導(dǎo)的課題組創(chuàng)造性地發(fā)明了一種名為“WiTricity”的技術(shù)，基于磁耦合諧振工作原理，該技術(shù)能夠在更遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行能量的傳輸。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究小組利用所搭建的無線供電系統(tǒng)在距發(fā)射端 2m 的位置上，使一個 60W 的燈泡發(fā)光[5]，如圖 1-4 所示。與此同時，由其成立的 WiTricity 公司也開始積極向無線電能傳輸技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。2013 年，Witricity公司針對磁耦合諧振式 WPT 系統(tǒng)創(chuàng)立了自己的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，并于 2014 年生產(chǎn)出面向電動轎車的無線充電裝置 WIT-3000，實(shí)現(xiàn)了 3.3kW 的無線電能傳輸。2016年，Witricity 公司設(shè)計(jì)出一種多功率等級輸出的無線充電裝置，這種裝置能以 3.7kW、7.7 kW 及 11kW 等不同功率等級來適應(yīng)各類型電動汽車的無線供電，整體效率可以達(dá)到 90%以上，同時整套系統(tǒng)還兼顧對汽車發(fā)生偏移情況下的適應(yīng)性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM724

【參考文獻(xiàn)】

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2 陳琛;黃學(xué)良;孫文慧;譚林林;強(qiáng)浩;;金屬障礙物對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的影響[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2014年09期

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本文編號：2631478