谐振式无线电能传输装置的系统分析与设计

发布时间：2017-08-05 07:33

  本文关键词：谐振式无线电能传输装置的系统分析与设计

  更多相关文章： 无线电能传输 蓝牙控制 谐振耦合 E类逆变器 空载损耗

【摘要】：目前无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)的实现方式主要有感应式、谐振式、电场耦合、微波式、激光式、超声波等。相对于其他方式,谐振式无线电能传输技术有着对人体安全、传输距离适中、对位置变化不敏感、使用灵活等优点,在植入式医疗、电动汽车、便携式移动设备等领域引起了广泛关注与研究。但是该技术在实际应用中仍存在以下关键问题:谐振频率较高时逆变电源效率不够高、轻载时损耗较大、可靠性和稳定性差等。为了解决上述问题,提高整体效率和稳定性,本文从谐振式无线电能传输系统的原理、高频逆变电源的特性、以及系统的控制策略三方面开展研究。首先,本文从谐振式无线电能传输系统的原理出发,对无线电能传输的四种基本调谐方式进行了对比,总结出各自的特点和在实际电路中对谐振的利与弊,然后对串联-串联式调谐方法进行等效电路建模,分析频率对系统效率的影响、效率与功率的关系。其次,对用于谐振式无线电能传输系统的E类逆变器的工作方式进行了分析,在暂态方面通过复频域拉普拉斯方程求解出其时域解,揭示系统中电压、电流波形所包括的频率成份;在稳态方面给出E类逆变器的最佳工作状态参数。分别分析了负载阻抗角、MOSFET两端并联的电容值、频率、负载大小、占空比等参数对E类逆变器运行特性的影响趋势,揭示E类逆变器对负载网络和MOSFET工作方式的敏感性。再次,针对轻载时系统损耗很高、线圈距离的变化导致等效负载阻抗改变从而容易引起E类逆变器的硬开关两个关键问题,同时为了实现负载端的过压、过流保护,提出了基于蓝牙的控制策略,设计了近距离保护模式和轻载的打嗝模式。最后,设计了基于蓝牙控制的额定功率为100W、传输距离为30厘米的无线输电装置,实现了MOSFET的软开关,从而使高频电源高效率运行。在选用普通直流电源的情况下,整个装置从市电输入到稳定直流电压输出的效率仍可达64.7%。验证了蓝牙控制对大幅度降低轻载损耗、实现近距离保护和过压过流保护的有效性,提高了装置的可靠性和稳定性。然后分别在负载功率、横向距离、纵向距离等参数变化时测试了整个装置,分析了实验结果的趋势和原因,也证实了该装置在多种条件下的可靠运行。本文在对原理分析、控制设计和装置研制的基础进行总结,分析本文解决的关键问题及待完成的工作,为进一步的研究指明方向。
【关键词】：无线电能传输 蓝牙控制 谐振耦合 E类逆变器 空载损耗
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM724
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究的背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-19
• 1.2.1 无线电能传输技术12-17
• 1.2.2 谐振式无线电能传输高频电源的研究现状17-19
• 1.3 本文的研究内容19-20
• 1.4 本课题来源20
• 1.5 论文章节安排20-21
• 第二章 谐振式无线电能传输系统原理与模型21-28
• 2.1 谐振式无线电能传输系统的调谐方式21-23
• 2.2 串联-串联式等效电路模型23-24
• 2.3 频率对系统效率的影响24-26
• 2.3.1 频率变化时C_D参数不可调25-26
• 2.3.2 频率变化时C_D参数可调26
• 2.4 效率与输出功率的分析26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 E类逆变器的运行特性分析28-44
• 3.1 E类逆变器的暂态分析28-34
• 3.2 E类逆变器的稳态分析34-35
• 3.3 参数变化对E类逆变器运行特性的影响分析35-43
• 3.3.1 负载阻抗角变化36
• 3.3.2 开关管并联电容值变化36-38
• 3.3.3 频率变化38
• 3.3.4 负载大小变化38-39
• 3.3.5 占空比变化39-41
• 3.3.6 滤波电感1L的变化41-42
• 3.3.7 输入电压42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 基于蓝牙的控制设计44-49
• 4.1 蓝牙的引入44-45
• 4.2 蓝牙控制的设计45-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第五章 装置的制作与实验结果49-62
• 5.1 装置的系统结构与参数49-55
• 5.1.1 发射与接收线圈的结构与参数50
• 5.1.2 高频逆变电路的设计参数50-52
• 5.1.3 接收端整流电路和DC-DC调节电路52-54
• 5.1.4 PCB设计的注意事项54-55
• 5.2 蓝牙控制的实测结果55-56
• 5.2.1 近距离保护55-56
• 5.2.2 轻载的打嗝模式56
• 5.2.3 过压过流保护56
• 5.3 负载功率变化下的工作分析56-57
• 5.4 横向距离变化时的工作分析57-59
• 5.5 纵向位移变化时的工作分析59-60
• 5.6 线圈旋转角度变化时的工作分析60-61
• 5.7 本章小结61-62
• 结论与展望62-64
• 1. 结论62
• 2. 展望62-64
• 参考文献64-70
• 附录70-75
• 1. 接收端蓝牙控制程序的关键函数70-72
• 2. 发射端蓝牙控制程序的关键函数72-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• 附件77

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本文编号：623707