基于双边LCC拓扑结构的抗偏移静态无线充电系统研究

发布时间：2020-04-18 00:10

【摘要】：无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)作为一种理想的供电方式,以安全性高、充电范围大和可控性能好等优势,在近年来得到了快速的发展,并获得广泛应用。但与此同时,在实际WPT系统中,发射线圈与接收线圈间相对位置偏移的客观存在,会引起系统耦合系数的变化,导致输出功率发生较大波动,降低了无线充电系统的可靠性。因此在对WPT系统展开设计的时候,需要提升系统的抗偏移能力(misalignment tolerance),使其具备较高的稳定性与鲁棒性,能够在一定的耦合系数变化区间内相对平稳地传输功率。针对以上的问题,本文从平缓传输功率波动的角度出发,研究了提高系统抗偏移能力并在宽耦合系数变化情况下实现静态恒流无线供电的方法。首先,本文介绍了WPT系统的四种基本谐振拓扑,并通过搭建互感耦合模型对串-串拓扑结构的系统特性展开分析,研究了耦合系数的变化对其输出功率和效率的影响,阐述了串-串谐振拓扑在抗偏移能力上的不足。引入双边LCC拓扑结构,通过对其功率输出特性的分析,研究双边LCC拓扑结构的抗偏移设计思路及工作机理,并以平缓功率输出为目的,将串-串结构作为比较对象,得出满足抗偏移特性的参数关系;同时,分析了参数取值对于系统抗偏移区间及额定输出功率的影响,在综合考虑以上两方面因素的基础上,以系统实际耦合系数的工作范围为约束条件,提出了一种综合参数优化设计方法用以提升系统的综合性能。其次,本文采用基于Buck电路的副边恒流控制策略,分析了在相同输入电压条件下实现恒流输出时,三种拓扑结构(串-串、LCC-S、双边LCC)的耦合系数与Buck电路占空比之间的关系,阐述了双边LCC拓扑结构具有提高系统抗偏移和功率输出的综合能力,利用Simulink仿真软件搭建了基于双边LCC拓扑结构的静态恒流无线供电仿真模型,并进行仿真用于验证理论分析的正确性。最后,设计了一个小功率的WPT实验平台用以对以上三种拓扑结构的综合性能进行比较分析。实验结果表明,当系统耦合系数相对额定点发生上下各24%的变化时,双边LCC拓扑结构的功率波动保持在12%以内,远低于同等情况下的串-串结构,同时额定输出功率提升了54%,系统效率达到89%以上,并具备空载限流保护能力;在以上实验的基础上加入闭环控制电路,搭建一套基于双边LCC拓扑结构的静态恒流无线供电系统,并在系统耦合系数发生从0.17到0.34的两倍宽范围变化时,实现了对阻值分别为8.5Ω、10Ω和12Ω等效负载的1.4A恒流控制。
【图文】：

磁耦合,机构

图 1-2 Flux pipe 型磁耦合机构图 1-3 DD-DDQ 型线圈结构进入 21 世纪以后，美国麻省理工学院（MIT）成为促进 WPT 技术进一步发展的重要力量。早在 2007 年， Marin Soljacic 领导的课题组创造性地发明了一种名为“WiTricity”的技术，基于磁耦合谐振工作原理，该技术能够在更远的距离上进行能量的传输。在实验过程中，研究小组利用所搭建的无线供电系统在距发射端 2m 的位置上，使一个 60W 的灯泡发光[5]，如图 1-4 所示。与此同时，由其成立的 WiTricity 公司也开始积极向无线电能传输技术的产业化迈进。2013 年，Witricity公司针对磁耦合谐振式 WPT 系统创立了自己的无线充电标准，并于 2014 年生产出面向电动轿车的无线充电装置 WIT-3000，实现了 3.3kW 的无线电能传输。2016年，Witricity 公司设计出一种多功率等级输出的无线充电装置，这种装置能以 3.7kW、7.7 kW 及 11kW 等不同功率等级来适应各类型电动汽车的无线供电，整体效率可以达到 90%以上，同时整套系统还兼顾对汽车发生偏移情况下的适应性。

型线图,型线

图 1-2 Flux pipe 型磁耦合机构图 1-3 DD-DDQ 型线圈结构进入 21 世纪以后，美国麻省理工学院（MIT）成为促进 WPT 技术进一步发展的重要力量。早在 2007 年，， Marin Soljacic 领导的课题组创造性地发明了一种名为“WiTricity”的技术，基于磁耦合谐振工作原理，该技术能够在更远的距离上进行能量的传输。在实验过程中，研究小组利用所搭建的无线供电系统在距发射端 2m 的位置上，使一个 60W 的灯泡发光[5]，如图 1-4 所示。与此同时，由其成立的 WiTricity 公司也开始积极向无线电能传输技术的产业化迈进。2013 年，Witricity公司针对磁耦合谐振式 WPT 系统创立了自己的无线充电标准，并于 2014 年生产出面向电动轿车的无线充电装置 WIT-3000，实现了 3.3kW 的无线电能传输。2016年，Witricity 公司设计出一种多功率等级输出的无线充电装置，这种装置能以 3.7kW、7.7 kW 及 11kW 等不同功率等级来适应各类型电动汽车的无线供电，整体效率可以达到 90%以上，同时整套系统还兼顾对汽车发生偏移情况下的适应性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724

【参考文献】