双谐振点切换WPT系统及共享通道信息传输技术研究

发布时间：2020-07-15 00:21

【摘要】：随着无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)的发展,越来越多的产品进入我们的生活当中,这种电能传输方式的安全性以及灵活性为我们的生活带来了便捷,然而在实际应用当中这一技术仍然存在一些问题需要解决。电能传输的同时往往需要伴随信息的传输,为了不增加额外的发射与接收线圈用于构建信息传输通道,本文构建了一种共享通道式无线电能与信息同步传输系统。系统中包含三个部分,分别为:双谐振点切换无线电能传输技术、半双工通信技术以及耦合系数辨识方法。无线电能传输当中依赖一对发射、接收线圈通过电磁感应原理实现不依赖导体的电能传输,这两个线圈称为电能传输系统的磁耦合机构。为了减小电能传输功率以及效率随耦合机构位移的波动范围,本文提出了一种利用多谐振补偿网络的多个谐振频率交替进行电能传输的理论方法。进一步在不影响电能传输稳定性的同时引入了高频通信技术,并且为了实现对系统工作状态的获取提出了一种耦合系数辨识方法。文中首先对电能与信息同步传输技术设计原则做出了说明,并将系统分为电能传输部分以及信息传输部分分别进行理论分析。在对电能传输系统的构建中,本文对多谐振补偿结构进行了拓展分析,以双边LCC补偿拓扑为例设计了具有多个谐振频率的无线电能传输系统,并采用其中两个谐振频率在不同的耦合系数范围内交替进行电能传输。根据负载端输出特性随负载的变化关系的不同本文给出了恒流型、恒压型、兼具恒压及恒流型三种电能传输系统的设计方法,同时给出了一种互补增益无线电能传输模式作为后续设计参考。由于恒压型输出系统谐振频率匹配更为复杂且具有代表性,本文采用恒压型作为实验系统进行验证。根据物理定义,一对耦合机构的耦合系数在0到1间连续变化。在本文所构建的实验验证系统中,当耦合系数在0.2~0.6的范围内变化时,电能传输实验的最小传输功率约为最大传输功率的25%,此时系统传输效率变化不超过3%。由于采用一般参数配置方式的单谐振频率电能传输系统仅具有本文系统中一个谐振频率的传输特性,因此相比于采用相同耦合机构的单谐振频率电能传输系统,本文所述双谐振频率切换型电能传输系统可以将功率以及效率波动范围减小到现有设计方法的一半以下。针对信息传输本文选用了一种共享通道式半双工通信方法,并给出了适配于本文双谐振频率切换无线电能传输系统的参数设计方法。根据本文所给出的参数设计方法,信息传输回路以及电能传输回路参数设计互相独立。同时依照对通信系统部分参数的约束条件可以实现电能与信息同步传输互不干扰,实验表明信息回路的引入未对电能传输功率以及效率产生影响,半双工通信速率可以达到15kbps。本文在通信回路的设计中进一步实现了系统耦合机构间的耦合系数辨识功能,根据文中给出的参数设计方法可以实现被检测电压随耦合系数的单调且近似线性地变化。实验表明这一辨识方法可以在不开启电能传输的前提下完成对系统耦合机构间耦合系数的准确获取。
【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
【图文】：

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1.1.1 课题来源课题来源于国家自然科学基金项目《基于多谐振耦合的无线电能和信息同步传输技术研究》，批注号为 51577041。1.1.2 课题研究的目的和意义自人类采用电能作为能源以来，一直致力于摆脱导线的束缚以实现电能的无线传输。最早的无线电能传输实验可以追溯到 1890 年尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)所构想的沃登克里弗塔实验，但是由于当时的技术条件以及财力问题未能实现。无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)再一次回到公众的视野是在 2007 年 MIT 宣布其成功实现在 2m 距离点亮 60W 的灯泡之后，这一实验的成功实现随即再一次掀起了磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究热潮[1]，近年来在我国哈尔滨工业大学、重庆大学、东南大学、华中科技大学、江苏大学、华南理工大学、南京航空航天大学均对这一技术有所研究[2,3]。本文将介绍一种采用多谐振频率交替进行电能传输的无线电能与信息同步传输技术。

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文佳对准状态变化时可以使传输功率的波动降到非常小的范围。在其实验中，在耦合系数变化 200%时系统传输功率下降不超过 20%[8]。这样小的功率波动范围是其他补偿方式难以达到的。但是非完全谐振本身具有一个限制，电能传输系统的补偿拓扑最初是为了补偿系统无功功率以达到提高系统效率的目的，以相同的传输功率作为比较，不完全谐振的系统电路中各部分电流有效值相比于其谐振状态均会有所增加，因此这样的设计难以保障系统的传输效率，这也是本文没有采用不完全谐振补偿策略的原因之一。

【参考文献】