IPT功率变换系统的建模与多目标优化研究

发布时间：2020-10-26 22:30

　　 近年来,无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)以其灵活多变的传输方式和严峻环境下所提供的供电安全性能而受到广泛关注。该项技术的引入将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广、方式更加多样化。无线能量传输可基于多种转换原理实现,其中感应式能量传输(Inductive Power Transfer,IPT)的应用最为广泛。IPT系统在功率变换架构上与传统的谐振变换器非常类似,但其变压器的松耦合性质引入了诸多机械、磁路、电路层面的特殊问题。据此,本文从松耦合谐振变换器的特殊性入手,研究了其多域建模与多目标优化问题。首先,利用多目标优化观点和有限元分析的手段,提出了一套简洁通用的变压器评价和构造理论,以解决松耦合变压器机械结构、漏磁和效率的综合优化问题;其次,研究和对比了常规补偿拓扑在宽范围工况下不同维度的性能,提出了补偿拓扑的多目标评价机制,并提炼了通用的设计原则;以此为基础,对LCL型IPT系统时域和频域进行解析建模以确定变换器在多尺度下的行为特性;最后解决了IPT系统对耦合敏感的共性问题,拓展了系统的适用范围。耦合线圈是无线能量传输的执行机构,也是决定系统性能的核心。本文以效率指标为分析起点,结合有限元数值仿真与理论计算,建立了精确的耦合损耗模型。在此基础上,对各设计自由度与效率、功率密度、EMI等关键指标的连动关系进行了定量描述,并从实用角度系统论述了耦合线圈各项关键指标间的制约。所提方法构建了对耦合线圈功率传输能力、效率、漏磁水平和功率密度等指标的综合评估方法,实现了多变量约束下线圈各指标间的均衡最优。最后,在实验中构造了直径为38cm的圆形对称线圈,在气隙间距为15cm的情况下,效率达到95.54%且漏磁不超过19.2uT,观测值与损耗模型和有限元数值模型形成良好对应关系,验证了该方法的有效性。补偿拓扑是IPT系统的基本构成部分,不同补偿结构下的谐振变换器呈现较大性能上的差异。因此,针对典型应用场景,构建系统全面的评价指标是合理选择补偿拓扑的基础,也是确定研究对象的关键。本文第三章归纳了松耦合谐振变换器的常见补偿拓扑,阐述了不同补偿的设计原则,并从无功补偿能力、固有传输效率、增益稳定性等方面对各补偿拓扑进行了细致的比较。对比较结果进行综合后,描述了不同补偿拓扑在宽工作范围内的性能差异,并提炼出其适用范围。此章通过对比,挖掘了LCL型补偿网络的优良特性,并选取其作为后文分析对象。在前文的基础上,本文探讨了降阶模型在LCL型LCRC中的应用,并依据此建立了通用的LCL型谐振变换器时域/频域模型。在时域模型方面,考虑高次谐波的影响,对高次谐波作用下的谐振腔进行降阶处理,建立了统一的谐波阻抗解析表达式,辅助求解谐振腔稳态时域波形。结合稳态时域分析,可以详细指导谐振腔参数设计,保证宽耦合和宽负载段内的ZVS条件以及较高的功率因数。而在频域模型方面,利用扩展描述函数法对直-交-直系统中的AC变量与DC变量进行了解耦,在远低于开关频率的时间尺度下建立了大信号模型,并进一步抽取了其小信号模型的低频段特征,证明了6阶LCL型LCRC的频域行为实质上可以用2阶欠阻尼等效系统代替,且不会损失瞬态和稳态的描述精度。所提出的等效降阶模型大大简化了系统频域模型的分析,并能有效指导控制器的设计。利用该等效降阶模型,对稳定性边界与特征频率纹波等现象进行了预测,通过结合PI控制器与陷波器的特性,在平抑输出纹波的同时,可以获取更快的系统响应速度。最后,通过实验验证了模型的精确性和所提出解决方案的有效性。针对LCL型IPT系统功率传输特性易耦合系数影响的问题,提出一种基于LCL的改进型拓扑,以适应大范围耦合系数的变化。本章从平滑输出功率的角度出发,定量分析了电压增益和输出阻抗角与耦合系数和无源元件参数的关系。通过分析发现,功率特性随耦合波动呈现为单峰曲线,且在峰值左右变化较为平缓。因此,可通过参数设置将耦合区间定位至峰值点附近,从而获取较为平稳的功率特性。在具体实施上,通过对LCL型谐振腔增加一阶自由度,构造了三元件补偿的LCC拓扑,实现了耦合系数大范围波动情况下输出功率近似恒定。与常规拓扑相比,该补偿拓扑对耦合系数的敏感性大大降低。最后,通过实验验证了设计方法的有效性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM724
【部分图文】：

但同时容易恶化线圈其他属性。的现有研究动机可分为两类，一部分工作侧重容量作为主要优化目标，以圆形线圈为例，；文献[60-62]提出一种双极性（BP）磁路结构获得不同工况下的最佳传输能力。借鉴 BP 型磁路的 DD型线圈，相比圆形的单极型线圈将磁位置下的耦合强度；以 DD 型线圈为基础，在成 DDQ 型线圈[63]；该类型拾取机构可以提高取线圈的思路也被应用于立体结构，以同时输能力[64,65]；另一种三极型线圈于最近被提和相位，可以得到合成的指向性磁场以适应不难发现，该类研究更加关注如何优化磁路以提线圈尺寸的考虑，使得上述工作难以很好地指

体工作在谐振频率时，会产生共振现象，振震荡回路增强了谐振体间的电磁耦合，并为能够在较远距离内传输。这一基于“共振”缺乏对等效电路及其模态的描述；另一方面振构造电压电流过零点，为软开关创造条件件谐振”观点，亦不能很好地解释 LCRC 中于松耦合变压器的漏感较传统紧耦合变压器此发生了改变。漏感的显著增大，使得谐振件电压电流应力，进而降低了系统效率。因以抵消漏感对无功环流的贡献[13,36,72]；另一磁路的改变，使得等效电路的参数亦随之变申出另一要求，即谐振腔需要补偿由于宽范 输出特性关于参数变化的敏感程度[37,73-75]。

原副边单元件拓扑补偿关系示意图
【参考文献】

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本文编号：2857601