感应式无线能量与信号复合传输技术研究

发布时间：2020-09-15 08:45

　　感应式无线电能传输具有辐射小、可靠、灵活、无直接物理接触等优点,被广泛应用在电动汽车、植入式医疗、消费电子等领域。在一些场合中,除实现能量传输外,还需实现信号的复合传输,以完成发送控制指令、反馈测量信号、实时监控系统状态信息等功能。由于现有的无线能量与信号传输系统大多采用分离通道传输能量与信号,增加系统体积与复杂度。且普遍采用低阶补偿,具有电路灵敏度过高,不易实现ZVS软开关等缺陷。同时现有的文献关于能量与信号传输的串扰,能量传输回路高次谐波对信号传输影响的分析较少。针对上述问题,本文基于传统ICPT系统,设计一种通过共用同一松耦合变压器,无需增设信号传输线圈,并采用高阶补偿网络保证能量稳定传输的同时完成信号的复合传输。本文首先通过Maxwell对松耦合变压器进行建模、仿真分析,确定其最优参数。同时利用基波分析法,对能量传输回路的S/LCC高阶补偿网络的静态工作特性、输入阻抗特性、输出特性等进行分析设计,实现能量高效、稳定的传输;而后选择幅移键控调制方式,对信号传输回路各部分的阻抗特性、信号传递函数、信号传输信噪比及信号传输速率等特性进行探究,总结决定相关特性的主要因素,同时设计相应的信号调制电路与信号解调电路,确保信号的准确稳定传输;随后对能量与信号复合传输系统的综合性能进行探究,包括:不对称处理电路以实现MOSFET的ZVS软开关,降低能量信号传输之间的串扰,并分析能量传输回路中的逆变与整流环节的高次谐波对能量传输以及信号传输的影响,验证所设计的系统对两种高次谐波均具有良好的抑制性能。最终搭建了感应式无线能量与信号复合传输的系统样机,原、副边无线传输距离10cm下,能量传输回路额定功率50W时,系统效率达到86.2%,且实现了ZVS,同时实现信号的复合传输,在ASK编码“11001110”下,传输速率40kbps,信号接收端的信噪比为-3.01d B,验证了方案的可行性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM724
【部分图文】：

线圈结构,松耦合

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文耦合系数偏低(小于 0.3)，通常称之为松耦合变压器。 U 形、E 形和罐形等普通的变压器磁芯[17]，但在大气的耦合系数急速下降，耦合效果不理想，且抗偏移能取而代之。奥克兰大学研究团队对应用于电动汽车领域的松耦合研究。首先提出一种圆盘形磁耦合机构[18]，如图 1-1(a加变压器耦合系数，并通过大量仿真分析了磁芯的分外形等因素对变压器耦合性能的影响，总结了松耦合方案，对本文的磁设计有借鉴意义。但该圆形松耦合敏感，随后提出 DD(Double D Type)型以及 DDQ 型变，提高了变压器的抗偏移能力。为减小 DDQ 线圈的损，Zaheer A.提出了一种 BBP 型线圈结构如图 1-1(d)提出的 DD-DDQ 结构在电动汽车领域应用最为广泛。

补偿结构,低阶,经典,补偿电容

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文感以减小系统无功，提高系统效率。如图 1-2 所示为四种最为经典拓扑，依次为 S/S、S/P、P/S、P/P。利用 LC 串联(Serial)与并联(P的原理，如 S/P 代表原边采用串联谐振补偿电容、副边采用并联谐的拓扑结构。文献[26]采用基波分析法，提出了上述四种低阶补偿方法，并分析了系统频率特性。文献[27]分别比较分析了副边采用补偿电容时的恒压或恒流输出特性。低阶补偿往往存在系统输出电益不可调、谐振元件灵敏度高、效率低等缺点，为解决上述问题，扑应运而生。

框图,系统结构,框图,松耦合

松耦合变压器承担着能量与信号的发射与接收任务。本章通过建立磁耦合机构的等效电路模型以及分析其能量传输特性，对平面型松耦合变压器的结构、线圈参数进行仿真与优化设计。同时为减小系统无功分量，提高系统效率，提出 S/LCC 补偿拓扑，对简化后的复合系统的能量传输回路进行基波分析，探究能量传输特性、输出特性及输入阻抗特性等，对系统参数进行计算与优化。2.1 能量与信号复合传输系统结构简介感应式无线电能传输技术其基本工作原理为：输入直流电经过逆变环节转为一定频率的交流电。松耦合变压器作为磁场能量与电场能量相互转换的介质，在松耦合变压器的发送线圈中，根据电磁感应原理，将一定频率的交变电流转换为变化的磁场，完成电场能量-磁场能量的转换，变化磁场中的能量在松耦合变压器的接收线圈中，通过电磁感应产生相应频率的交变感应电流，完成磁场能量-电场能量的转换，并通过副边整流滤波电路供给负载侧使用，实现能量的传递。ICPT 系统结构如下图所示，由四个电气组成部分构成，分别为：逆变电路、原副边补偿电路、松耦合变压器以及整流滤波电路。

【参考文献】