电磁感应式变耦合无线能量与数据传输关键技术研究

发布时间：2020-06-20 01:04

【摘要】：无线能量传输技术具有灵活方便、电气隔离、免维护、环境适应性强等优点,有望应用于航空航天、电动汽车、植入式医疗、消费电子、智能家居等领域,已成为学术界和工业界的研究热点。但是,无线能量传输技术仍存在补偿元件多、抗偏移性能差、能量传输效率低、系统成本高等问题,阻碍了无线能量传输技术的实用化进程。补偿拓扑种类很多,但缺乏普适的设计规则。本文通过分析四种基本谐振网络的压流变换及阻抗变换特性,总结出补偿拓扑的设计规则,据此提出用于电流型负载的LC/S补偿拓扑,其输出电流与负载无关。本文研究了原副边耦合电感对各元件归一化应力的影响规律,提出基于应力均衡原则的耦合电感设计方法,保证LC/S补偿系统中各元件应力均在合理范围。根据前述研究总结的补偿拓扑设计规则,提出用于电压型负载的S/CLC补偿拓扑,其输出电压与负载无关。本文所提两种补偿拓扑都具有补偿元件少、器件应力低、阻抗角接近零的特性,降低了系统成本,提升了能量传输效率。通过搭建的实验平台验证了理论分析的正确性。无线能量传输系统多为变耦合系统,已有的补偿参数设计方法不再适用。为减小输出电压随耦合的波动,本文提出基于粒子群优化算法的变耦合无线能量传输系统补偿参数设计方法,将无线能量传输系统补偿参数设计问题转化成包含输出电压方差、补偿及耦合电感电流、硬开关惩罚函数的多目标优化问题。首先根据传统的参数设计方法求出平均耦合系数对应的补偿参数,然后选取合适的缩放系数得到优化问题的解空间,最后采用线性等分法求出粒子速度最值。在保证能量传输效率及全工作范围软开关的前提下,所提方法使系统的输出电压波动最小。根据传统的和所提参数设计方法分别设计了无线能量传输样机,通过对比分析验证了所提设计方法的有效性。补偿参数优化设计能够提升系统的抗偏移性能,但是提升有限。为进一步改善无线能量传输系统的抗偏移性能,本文提出基于集中磁场的非对称磁耦合机构,其磁通集中分布于中心区域,抗偏移性能优异。由于能量传输效率的下降速度远低于耦合系数的下降速度,因此基于所提机构的无线能量传输系统效率较高。在给定尺寸约束下,为获得最优抗偏移性能,同时保证耦合系数不低于预设值,本文通过有限元仿真分析了非对称磁耦合机构原边绕组高度、原边绕组宽度、原边磁芯宽度、副边绕组高度、副边磁芯高度等参数对耦合系数和耦合保持系数的影响,提出优化的参数设计方法,保证系统具有较高的耦合系数和优异的抗偏移性能。为实现闭环控制、用户识别、状态监测、数据传输等功能,无线能量传输系统的原副边需交换信息。为解决已有的能量和数据非接触同步传输(Wireless power and data transfer,WPDT)方案存在的通信速率低、交叉干扰强、可靠性差等问题,本文分析并阐明了上述问题产生的原因,提出基于幅移键控和电容耦合的方案。由于数据加载及提取电路与主电路并联,数据传输对功率传输影响小,能量传输效率高。本文分析了多种对称补偿拓扑的滤波特性,得出双边LCC综合性能最优的结论,故将之确定为主电路的补偿拓扑。通过引入阻波电感改变载波信号通路阻抗,提高了信号传输增益,降低了数据解调难度。本文搭建了输出功率约100 W的WPDT样机,能量传输效率为90.5%,数据传输速率高达119 kbps。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724
【图文】：

磁耦合,机构

出了耦合效果更好的平面方形磁耦合机构[57-59]，如图 1-7(b)所示。a) 平面圆形a) Planar circular structureb) 平面方形b) Planar square structure图 1-7 平面圆形及平面方形磁耦合机构Fig. 1-7 Planar circular and square magnetic coupling structures根据文献[60]中的磁管（flux pipe）理论可知，当传输距离较远时，平面方形磁耦合机构的耦合系数较低。为此，文献[61]提出了 DD 型磁耦合结构，如图 1-8(a)所示。DD 型磁耦合结构需要 4 个 D 形绕组，其中原边两个，副边两个，原边（副边）两个 D 形线圈串联连接，且电流方向相反。和平面圆形或方形磁耦合机构相比，DD 型磁耦合机构的耦合效果更好。

磁耦合,三线圈,机构

构的抗偏移性能，但是总体而言，基于该思路的磁耦合机构的抗偏移性能未有明显改善。针对该问题，西南交通大学的麦瑞坤教授团队在文献[67]中提出了一种突破性的方法，通过在发射侧引入第三个线圈，大幅提升了磁耦合机构的抗偏移性能。该团队提出的磁耦合机构如图 1-10 所示，除了通常的发射线圈和接收线圈外，还引入了第三个线圈。发射线圈和第三个线圈反串联，因此原边耦合机构（原边磁芯+发射线圈+第三个线圈）和副边耦合机构（副边磁芯+接收线圈）间的互感等于(MPS MTS)，其中 MPS和 MTS分别表示接收线圈和发射线圈以及第三个线圈间的互感。当副边耦合机构相对原边耦合机构发生水平偏移时，尽管 MPS和 MTS均明显减小，但是通过优化线圈尺寸参数，能够使(MPS MTS)几乎保持不变，磁耦合机构的抗偏移性能显著改善。在植入式医疗等应用中，副边耦合机构存在 6 个自由度的偏移，传统的磁耦合机构不适用于此类应用。为解决该问题，重庆大学的戴欣等人提出了多自由度四面体型拾取机构[68]，如图 1-11 所示。当原边为平面圆形空芯线圈、副边为四面体型拾取机构时，磁耦合机构的互感随角度偏移变化较小，证明了四面体型拾取机构优异的抗角度偏移性能。四面体型拾取机构的主要缺点是占用

【参考文献】