最佳效率跟踪控制的无线充电系统设计
发布时间：2021-01-11 00:31
随着电子设备的不断更新,无线电能传输技术成为目前应用的热点,本文针对小功率用电设备,研制了并联-并联型无线充电系统,该系统的发射端采用改进型单管LC谐振逆变电路,改善了发射端输入电流波形,减小杂波,提高了系统效率。同时为了使系统达到最佳效率传输,本文利用发射端功率最小的原理,采用电压、频率双闭环控制策略,使系统既能够维持恒定的输出电压,又能跟踪最佳充电效率。本文首先针对磁耦合谐振式无线电能传输在单发射—单接收方式下的四种谐振电路拓扑,建立稳态等效模型,分别对四种模型进行理论分析,得到不同因素对效率的影响。在小功率条件下,并联-并联谐振电路具有更高的传输效率和更远的传输距离。然后本文分析了系统的基本结构,分别对系统发射端电压控制电路所采用的四开关Buck-Boost电路、发射端谐振电路采用的多级并联可变电容电路、接收端的同步整流电路的工作原理进行模态分析。在输出功率较小的条件下,采用单管LC谐振电路比采用半桥或全桥逆变拓扑结构更简单,功率密度更高,系统设计成本更低。然后重点分析了所提出的改进型单管LC谐振电路的工作原理和模态,并且与传统单管LC谐振电路进行对比,并用Simulink仿真软...
【文章来源】： 李茂丽 重庆理工大学
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线电能传输家庭应用
1绪论3解决现有无线充电系统在设计中的不足之处，使无线充电技术能更好的使用在人们日常生活的各个方面。在一个无线充电系统中，耦合谐振的拓扑结构、系统传输效率、线圈形状材质、发射接收端偏移角度等都是值得研究的课题，因此本文对小功率无线充电系统的研究具有一定实用价值。1.2国内外研究现状1.2.1无线充电技术发展现状无线充电技术的发展主要经历了四个过程，早在1890年时，物理学家尼古拉·特斯拉在实验中实现了交流发电；在2007年时，麻省理工无线电研究团队做出了传输距离为2.7米的无线电能传输实验；第三阶段在2014年时，戴尔公司宣布加入入A4WP阵营，无线充电的笔记本电脑随之降临；最后于2017年，苹果公司采用无线充电技术，配置无线充电功能手机时代正式到来[13-15]。图1.2手机无线充电现阶段在无线充电市场中主要还是手机和电动牙刷等小功率电子设备的应用，人们已经实现了数据的无线传输。而手机等小功率用电设备并不能满足无线充电在生活中的应用。根据调查显示，初步估计在2024年，几乎所有手机都将搭载无线充电功能。随着无线充电方式在日常生活中的广泛涉及，人们将越来越感受到该项技术的优越性，无线电能传输设备的市场空前巨大。各种小型电子设备，乃至于汽车等大功率用电设备。目前各行各业都有无线充电技术的应用，如物流行业。据报道京东物流，中通等物流行业大规模地采用无人工分拣，对快件信息输入，地区分配均采用无人操作[16-18]。但对分拣机器人充电是一大问题，如果可以采用无线充电，在统一的路线上一边工作一边充电，可大大提升工作效率。在目前的电子市场中，除了小功率电子设备，电动汽车的无线充电技术也在加速研究中。在电动汽车上，与有线充电相比，无
重庆理工大学硕士学位论文4线充电更加安全便捷，充电装置的安置的局限性更小，例如在公路上汽车一边行驶一边充电的设想也在逐步形成。1.2.2无线电能传输方式研究现状无线电能传输摒弃了导线连接的接触式传输，为一种非接触式的能量传递方式，总的来说无线电能传输形式在不同的应用场景下主要有以下三种：电磁辐射式、磁场耦合谐振式、电磁感应式[19-21]。1、电磁辐射式无线电能传输电磁辐射式无线电能传输技术最常研究的介质是用微波。日常生活中广播和通信所涉及到的微波指的是天线所释放的电能。1901年，美国的尼古拉·特斯拉在无线电塔进行300kW电能的传输实验，但频率为较低的150kHz，因电磁波扩散而失败告终。实现无线电能传输，是在第二次世界大战中开发了使用大功率的微波发射雷达之后。1964年，美国的WilliamBrown用自己发明的整流天线接收了2.45GHz的微波电能，并证实可以将其转换为直流进行电能传输。整流天线可以接收格状天线元辐射的微波能量，通过正向压降小的肖特基势垒二极管直接转换成直流电。使用2.45GHz和5.8GHz频率的情况比较常见，微波炉用磁控管大量产生微波，成本较低。最近氮化镓等功率半导体的价格降低了，使用实例也在增多。图1.3微波无线电能传输结构图微波无线电能传输的结构图如图1.3，微波由于自身所具备在真空传播的特性，能够将大功率电能传输到接收端。但电磁波的能量是发散的，因此需要更多的天线来搜集无线电能。若是电动汽车等小型电子设备，传输效率难以得到增加。对于接收端部分的整流电路来说，小功率用电设备则可保持较高的传输效率，所以微波传输在小功率无线设备中的研究是有意义的，特别是对于接受端部分的效率提升是有极大的研究空间[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线电能传输系统共振机理及共振点分布特性研究[J]. 廖志娟,孙跃,叶兆虹,唐春森,葛学健. 电工技术学报. 2020(02)
[2]基于E类逆变器的无线电能传输创新实验设计[J]. 刘洋,逄海萍. 实验技术与管理. 2019(12)
[3]磁耦合谐振式电动汽车无线充电线圈设计与优化分析[J]. 谭菊华,李晓芳,郭小春. 沈阳工业大学学报. 2020(01)
[4]基于LLC谐振变换器的近距离无线供电系统[J]. 林昊然,段发阶,蒋佳佳. 电力电子技术. 2019(12)
[5]磁谐振无线输电系统不同补偿方式的传输特性[J]. 吝伶艳,方成刚,宋建成,张文杰. 电机与控制学报. 2019(12)
[6]基于四开关Buck-Boost的三模式平滑切换控制策略[J]. 康家玉,陈旭阳,刘甲琛,王素娥. 科学技术与工程. 2019(33)
[7]基于自激逆变器的无线电能传输系统[J]. 王尧,刘卫国,皇甫宜耿,刘云天. 电工技术学报. 2019(22)
[8]全方向无线电能传输技术研究进展[J]. 谢文燕,陈为. 电力系统自动化. 2020(04)
[9]LCC-P磁耦合谐振式无线充电系统的研究[J]. 章小斌,李登峰,周熙炜,郝会东,郭咏. 电子设计工程. 2019(21)
[10]高功率密度无线电能传输系统设计[J]. 李东,侯睿,刘威,曲延滨. 电力电子技术. 2019(10)
硕士论文
[1]无线电能传输系统的最大效率跟踪[D]. 邱毅.青岛科技大学 2019
[2]磁耦合谐振式无线电能传输装置设计与传输特性研究[D]. 闫蕾蕾.青岛科技大学 2017
本文编号：2969711
【文章来源】： 李茂丽 重庆理工大学
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线电能传输家庭应用
1绪论3解决现有无线充电系统在设计中的不足之处，使无线充电技术能更好的使用在人们日常生活的各个方面。在一个无线充电系统中，耦合谐振的拓扑结构、系统传输效率、线圈形状材质、发射接收端偏移角度等都是值得研究的课题，因此本文对小功率无线充电系统的研究具有一定实用价值。1.2国内外研究现状1.2.1无线充电技术发展现状无线充电技术的发展主要经历了四个过程，早在1890年时，物理学家尼古拉·特斯拉在实验中实现了交流发电；在2007年时，麻省理工无线电研究团队做出了传输距离为2.7米的无线电能传输实验；第三阶段在2014年时，戴尔公司宣布加入入A4WP阵营，无线充电的笔记本电脑随之降临；最后于2017年，苹果公司采用无线充电技术，配置无线充电功能手机时代正式到来[13-15]。图1.2手机无线充电现阶段在无线充电市场中主要还是手机和电动牙刷等小功率电子设备的应用，人们已经实现了数据的无线传输。而手机等小功率用电设备并不能满足无线充电在生活中的应用。根据调查显示，初步估计在2024年，几乎所有手机都将搭载无线充电功能。随着无线充电方式在日常生活中的广泛涉及，人们将越来越感受到该项技术的优越性，无线电能传输设备的市场空前巨大。各种小型电子设备，乃至于汽车等大功率用电设备。目前各行各业都有无线充电技术的应用，如物流行业。据报道京东物流，中通等物流行业大规模地采用无人工分拣，对快件信息输入，地区分配均采用无人操作[16-18]。但对分拣机器人充电是一大问题，如果可以采用无线充电，在统一的路线上一边工作一边充电，可大大提升工作效率。在目前的电子市场中，除了小功率电子设备，电动汽车的无线充电技术也在加速研究中。在电动汽车上，与有线充电相比，无
重庆理工大学硕士学位论文4线充电更加安全便捷，充电装置的安置的局限性更小，例如在公路上汽车一边行驶一边充电的设想也在逐步形成。1.2.2无线电能传输方式研究现状无线电能传输摒弃了导线连接的接触式传输，为一种非接触式的能量传递方式，总的来说无线电能传输形式在不同的应用场景下主要有以下三种：电磁辐射式、磁场耦合谐振式、电磁感应式[19-21]。1、电磁辐射式无线电能传输电磁辐射式无线电能传输技术最常研究的介质是用微波。日常生活中广播和通信所涉及到的微波指的是天线所释放的电能。1901年，美国的尼古拉·特斯拉在无线电塔进行300kW电能的传输实验，但频率为较低的150kHz，因电磁波扩散而失败告终。实现无线电能传输，是在第二次世界大战中开发了使用大功率的微波发射雷达之后。1964年，美国的WilliamBrown用自己发明的整流天线接收了2.45GHz的微波电能，并证实可以将其转换为直流进行电能传输。整流天线可以接收格状天线元辐射的微波能量，通过正向压降小的肖特基势垒二极管直接转换成直流电。使用2.45GHz和5.8GHz频率的情况比较常见，微波炉用磁控管大量产生微波，成本较低。最近氮化镓等功率半导体的价格降低了，使用实例也在增多。图1.3微波无线电能传输结构图微波无线电能传输的结构图如图1.3，微波由于自身所具备在真空传播的特性，能够将大功率电能传输到接收端。但电磁波的能量是发散的，因此需要更多的天线来搜集无线电能。若是电动汽车等小型电子设备，传输效率难以得到增加。对于接收端部分的整流电路来说，小功率用电设备则可保持较高的传输效率，所以微波传输在小功率无线设备中的研究是有意义的，特别是对于接受端部分的效率提升是有极大的研究空间[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线电能传输系统共振机理及共振点分布特性研究[J]. 廖志娟,孙跃,叶兆虹,唐春森,葛学健. 电工技术学报. 2020(02)
[2]基于E类逆变器的无线电能传输创新实验设计[J]. 刘洋,逄海萍. 实验技术与管理. 2019(12)
[3]磁耦合谐振式电动汽车无线充电线圈设计与优化分析[J]. 谭菊华,李晓芳,郭小春. 沈阳工业大学学报. 2020(01)
[4]基于LLC谐振变换器的近距离无线供电系统[J]. 林昊然,段发阶,蒋佳佳. 电力电子技术. 2019(12)
[5]磁谐振无线输电系统不同补偿方式的传输特性[J]. 吝伶艳,方成刚,宋建成,张文杰. 电机与控制学报. 2019(12)
[6]基于四开关Buck-Boost的三模式平滑切换控制策略[J]. 康家玉,陈旭阳,刘甲琛,王素娥. 科学技术与工程. 2019(33)
[7]基于自激逆变器的无线电能传输系统[J]. 王尧,刘卫国,皇甫宜耿,刘云天. 电工技术学报. 2019(22)
[8]全方向无线电能传输技术研究进展[J]. 谢文燕,陈为. 电力系统自动化. 2020(04)
[9]LCC-P磁耦合谐振式无线充电系统的研究[J]. 章小斌,李登峰,周熙炜,郝会东,郭咏. 电子设计工程. 2019(21)
[10]高功率密度无线电能传输系统设计[J]. 李东,侯睿,刘威,曲延滨. 电力电子技术. 2019(10)
硕士论文
[1]无线电能传输系统的最大效率跟踪[D]. 邱毅.青岛科技大学 2019
[2]磁耦合谐振式无线电能传输装置设计与传输特性研究[D]. 闫蕾蕾.青岛科技大学 2017
本文编号：2969711
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