磁耦合谐振式无线充电系统的研究与设计

发布时间：2021-07-26 14:23

随着移动互联时代的到来,便携式智能终端设备日益普及。然而由于电池技术研发进度的大幅度滞后,使得手机续航能力成为手机发展难以逾越的瓶颈;同时对于传统有线式充电,杂乱的数据线以及热插拔引起诸多不便及安全隐患。伴随着无线充电技术的发展,依靠空间磁场转换实现无线供电,克服了传统手机充电方法的弊端,使得充电更加便捷、安全,已经成为智能设备配套充电技术研究和发展的主要方向。本文基于电磁谐振耦合技术提出了一套完整的无线供电技术解决方案。首先介绍了无线电能传输的基本原理、国内外研究现状及应用前景等。之后通过耦合模理论,对磁耦合谐振式无线电能传输过程进行了数学建模,对发射装置的工作状态进行分析并得到了电路相关参数对传输效率的影响,为实现了手机无线电能传输的硬件设计奠定了良好基础。其次,给出了无线电能传输电路的设计方案。系统采用STM32作为系统主控制器,系统拓扑主要包括控制电路、全桥逆变电路、检测电路、耦合机构及电源电路等。为提高系统控制精度、稳定性,将输出电压电流信号、温度信号反馈给控制器通过PID算法控制逆变电路输出,实现了对手机电池的分段式智能无线充电闭环控制。此外,控制系统还对充电运行状态进行实时监测,对充电过程进行安全保护。最后,在上述研究分析的基础上,搭建了磁耦合谐振式无线充电平台,实现了基于磁耦合谐振式的无线电能传输,对系统进行一系列性能测试,实验结果表明,本系统能够实现高效无线充电,为进一步应用于实际奠定了基础。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM724

文章目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 无线电能传输方式

1.2.1 电磁感应式

1.2.2 电磁辐射式

1.2.3 磁耦合谐振式

1.3 国内外研究现状及发展动态

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 论文的主要研究内容及章节安排

1.5 本章小结

2 系统无线充电原理及仿真

2.1 电池分析

2.2 耦合模理论

2.2.1 耦合模理论基本原理

2.2.2 振荡模式的耦合模方程

2.2.3 谐振补偿结构原理分析

2.3 电磁耦合线圈仿真

2.3.1 建立电磁耦合模型

2.3.2 线圈磁场仿真

2.4 逆变电路仿真

2.4.1 建立全桥逆变电路模型

2.4.2 全桥逆变电路波形仿真

2.5 本章小结

3 系统硬件电路设计

3.1 系统硬件总体设计方案

3.2 初级回路设计

3.2.1 电源电路设计

3.2.2 控制电路设计

3.2.3 移相全桥逆变电路

3.2.4 检测单元设计

3.3 耦合线圈设计

3.4 接收回路电路

3.5 系统抗干扰设计

3.6 本章小结

4 系统软件设计

4.1 系统程序总体设计

4.2 控制系统子程序设计

4.2.1 匹配认证程序

4.2.2 移相脉冲生成子程序

4.2.3 PID控制子程序

4.2.4 三段式快速充电程序

4.3 本章小结

5 系统分析与研究

5.1 实验设备

5.2 设备测试

5.2.1 Ping测试

5.2.2 充电特性测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

【参考文献】