【摘要】：隨著無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer,WPT)的發(fā)展,越來越多的產(chǎn)品進入我們的生活當中,這種電能傳輸方式的安全性以及靈活性為我們的生活帶來了便捷,然而在實際應(yīng)用當中這一技術(shù)仍然存在一些問題需要解決。電能傳輸?shù)耐瑫r往往需要伴隨信息的傳輸,為了不增加額外的發(fā)射與接收線圈用于構(gòu)建信息傳輸通道,本文構(gòu)建了一種共享通道式無線電能與信息同步傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)中包含三個部分,分別為:雙諧振點切換無線電能傳輸技術(shù)、半雙工通信技術(shù)以及耦合系數(shù)辨識方法。無線電能傳輸當中依賴一對發(fā)射、接收線圈通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)不依賴導體的電能傳輸,這兩個線圈稱為電能傳輸系統(tǒng)的磁耦合機構(gòu)。為了減小電能傳輸功率以及效率隨耦合機構(gòu)位移的波動范圍,本文提出了一種利用多諧振補償網(wǎng)絡(luò)的多個諧振頻率交替進行電能傳輸?shù)睦碚摲椒�。進一步在不影響電能傳輸穩(wěn)定性的同時引入了高頻通信技術(shù),并且為了實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的獲取提出了一種耦合系數(shù)辨識方法。文中首先對電能與信息同步傳輸技術(shù)設(shè)計原則做出了說明,并將系統(tǒng)分為電能傳輸部分以及信息傳輸部分分別進行理論分析。在對電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建中,本文對多諧振補償結(jié)構(gòu)進行了拓展分析,以雙邊LCC補償拓撲為例設(shè)計了具有多個諧振頻率的無線電能傳輸系統(tǒng),并采用其中兩個諧振頻率在不同的耦合系數(shù)范圍內(nèi)交替進行電能傳輸。根據(jù)負載端輸出特性隨負載的變化關(guān)系的不同本文給出了恒流型、恒壓型、兼具恒壓及恒流型三種電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法,同時給出了一種互補增益無線電能傳輸模式作為后續(xù)設(shè)計參考。由于恒壓型輸出系統(tǒng)諧振頻率匹配更為復雜且具有代表性,本文采用恒壓型作為實驗系統(tǒng)進行驗證。根據(jù)物理定義,一對耦合機構(gòu)的耦合系數(shù)在0到1間連續(xù)變化。在本文所構(gòu)建的實驗驗證系統(tǒng)中,當耦合系數(shù)在0.2~0.6的范圍內(nèi)變化時,電能傳輸實驗的最小傳輸功率約為最大傳輸功率的25%,此時系統(tǒng)傳輸效率變化不超過3%。由于采用一般參數(shù)配置方式的單諧振頻率電能傳輸系統(tǒng)僅具有本文系統(tǒng)中一個諧振頻率的傳輸特性,因此相比于采用相同耦合機構(gòu)的單諧振頻率電能傳輸系統(tǒng),本文所述雙諧振頻率切換型電能傳輸系統(tǒng)可以將功率以及效率波動范圍減小到現(xiàn)有設(shè)計方法的一半以下。針對信息傳輸本文選用了一種共享通道式半雙工通信方法,并給出了適配于本文雙諧振頻率切換無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計方法。根據(jù)本文所給出的參數(shù)設(shè)計方法,信息傳輸回路以及電能傳輸回路參數(shù)設(shè)計互相獨立。同時依照對通信系統(tǒng)部分參數(shù)的約束條件可以實現(xiàn)電能與信息同步傳輸互不干擾,實驗表明信息回路的引入未對電能傳輸功率以及效率產(chǎn)生影響,半雙工通信速率可以達到15kbps。本文在通信回路的設(shè)計中進一步實現(xiàn)了系統(tǒng)耦合機構(gòu)間的耦合系數(shù)辨識功能,根據(jù)文中給出的參數(shù)設(shè)計方法可以實現(xiàn)被檢測電壓隨耦合系數(shù)的單調(diào)且近似線性地變化。實驗表明這一辨識方法可以在不開啟電能傳輸?shù)那疤嵯峦瓿蓪ο到y(tǒng)耦合機構(gòu)間耦合系數(shù)的準確獲取。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM724
【圖文】：

1.1.1 課題來源課題來源于國家自然科學基金項目《基于多諧振耦合的無線電能和信息同步傳輸技術(shù)研究》，批注號為 51577041。1.1.2 課題研究的目的和意義自人類采用電能作為能源以來，一直致力于擺脫導線的束縛以實現(xiàn)電能的無線傳輸。最早的無線電能傳輸實驗可以追溯到 1890 年尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)所構(gòu)想的沃登克里弗塔實驗，但是由于當時的技術(shù)條件以及財力問題未能實現(xiàn)。無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer，WPT)再一次回到公眾的視野是在 2007 年 MIT 宣布其成功實現(xiàn)在 2m 距離點亮 60W 的燈泡之后，這一實驗的成功實現(xiàn)隨即再一次掀起了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的研究熱潮[1]，近年來在我國哈爾濱工業(yè)大學、重慶大學、東南大學、華中科技大學、江蘇大學、華南理工大學、南京航空航天大學均對這一技術(shù)有所研究[2,3]。本文將介紹一種采用多諧振頻率交替進行電能傳輸?shù)臒o線電能與信息同步傳輸技術(shù)。

非完全諧振系統(tǒng)阻抗角示意圖

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文佳對準狀態(tài)變化時可以使傳輸功率的波動降到非常小的范圍。在其實驗中，在耦合系數(shù)變化 200%時系統(tǒng)傳輸功率下降不超過 20%[8]。這樣小的功率波動范圍是其他補償方式難以達到的。但是非完全諧振本身具有一個限制，電能傳輸系統(tǒng)的補償拓撲最初是為了補償系統(tǒng)無功功率以達到提高系統(tǒng)效率的目的，以相同的傳輸功率作為比較，不完全諧振的系統(tǒng)電路中各部分電流有效值相比于其諧振狀態(tài)均會有所增加，因此這樣的設(shè)計難以保障系統(tǒng)的傳輸效率，這也是本文沒有采用不完全諧振補償策略的原因之一。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號：2755694