无线电能传输系统负载特性分析与效率优化

发布时间：2020-11-21 21:54

　　 谐振式无线电能传输技术适合于各个功率等级的负载设备进行无线供电,该技术的优点体现在具有较远的传输距离,较大的传输功率,以及非辐射性。在实际的应用和研究过程中,负载参数的变化可能会引起系统传输特性的改变,使得系统脱离最佳工作状态;传输线圈的多项参数未综合优化设计,导致品质因数较低等等。针对该技术存在的问题,本文以效率优化为目的,以负载特性为切入点,研究负载与系统传输特性之间的关系。对传输线圈进行优化设计,给出了最大效率负载点的设计方法,为使得系统能在接入不同负载时系统传输性能保持在最佳状态,可通过添加适当的阻抗变换网络改变等效负载大小,提高系统负载适应性。论文分析了磁耦合无线电能传输的原理,以及系统主要组成、关键技术。对输入为串联谐振的两种补偿拓扑结构进行对比分析,确定了串联-串联补偿方案。利用电路理论,分析了三种负载接入对系统传输效率的影响,对影响系统最高效率负载点因素进行了详细的分析,针对因接入负载偏移最高效率负载点造成传输效率下降,得出了可以通过提高互感,谐振频率和降低线圈内阻,从本质上提高系统负载适应能力及传输效率的结论,并给出了使用L型阻抗变换网络实现最高效率负载匹配策略的设计方法。而线圈耦合部分的设计决定互感及线圈内阻,在实际应用以及输出功率均符合的情况下,使用Maxwell有限元仿真软件对比仿真分析了三种线圈形状的特性,并选取了组合型线圈形状,对其长宽比,线圈匝数,匝间距等参数以提高系统传输效率及负载适应性为目的进行了优化设计。通过逆变电路,整流电路,耦合机制,buck电路的设计,搭建了一套传输距离15mm,输出功率800W,传输效率81%的实验平台。通过实验验证了综合优化设计的组合型线圈有效的提高了系统的传输效率,验证了最高效率负载点的存在以及最高效率负载匹配设计的有效性、负载阻抗匹配网络的正确性。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM724
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 课题研究的背景与意义
    1.3 无线电能传输系统国内外研究现状
        1.3.1 国外研究现状
        1.3.2 国内研究现状
    1.4 研究技术及现存问题总结
        1.4.1 效率优化方法总结
        1.4.2 线圈设计与优化
        1.4.3 阻抗匹配研究
    1.5 论文主要研究的内容
    1.6 本文结构安排
2 磁耦合谐振式无线电能传输系统组成与关键技术
    2.1 磁耦合谐振式无线电能传输系统组成
    2.2 关键技术与影响系统传输效率因素分析
        2.2.1 系统关键技术研究分析
        2.2.2 影响系统传输效率的因素分析
    2.3 谐振补偿拓扑对比分析
    2.4 负载变动对系统的影响仿真分析
    2.5 本章小结
3 系统负载特性分析及优化设计
    3.1 不同类型负载对系统传输效率影响分析
        3.1.1 阻性负载数学分析
        3.1.2 阻感性负载数学分析
        3.1.3 阻容性负载数学分析
    3.2 不同系统参数下负载对系统传输效率影响分析
        3.2.1 最高效率负载点与谐振频率的关系分析
        3.2.2 最高效率负载点与线圈内阻的关系分析
        3.2.3 最高效率负载点与互感的关系分析
    3.3 系统负载匹配策略研究
        3.3.1 最大功率的负载匹配策略
        3.3.2 最高效率的负载匹配策略
        3.3.3 最大功率负载点与最大效率负载点的关系
    3.4 负载阻抗变换网络设计
        3.4.1 四线圈阻抗变换过程分析
        3.4.2 Buck-BoostDC-DC变换器阻抗变换过程分析
        3.4.3 L型阻抗匹配网络分析与设计
        3.4.4 系统优化设计仿真及分析
    3.5 本章小结
4 系统耦合线圈优化设计
    4.1 耦合线圈的约束条件
    4.2 系统耦合模型分析
        4.2.1 线圈能量传输分析
        4.2.2 线圈传输效率分析
    4.3 不同耦合线圈结构对比分析
        4.3.1 圆形平面螺旋线圈
        4.3.2 矩形平面螺旋线圈
    4.4 电磁耦合结构的仿真分析及优化设计
        4.4.1 三种线圈水平位移仿真对比分析
        4.4.2 三种线圈垂直间距变化仿真对比分析
    4.5 组合型耦合线圈仿真优化设计
        4.5.1 线圈长宽比优化选取
        4.5.2 线圈匝数优化选取
        4.5.3 线圈松紧度优化选取
    4.6 本章小结
5 系统样机研制及实验验证
    5.1 系统整体设计方案
    5.2 发射端部分的搭建
        5.2.1 大功率直流电压源
        5.2.2 高频逆变电路设计
        5.2.3 控制部分设计
    5.3 磁耦合部分设计
        5.3.1 谐振电容选择
        5.3.2 谐振线圈导线选择
        5.3.3 谐振线圈绕制
    5.4 接收端部分搭建
        5.4.1 整流电路设计
        5.4.2 BUCK稳压电路设计
        5.4.3 可编程直流负载
    5.5 实验结果及分析
        5.5.1 基础实验平台与线圈优化后实验平台对比
        5.5.2 不同负载接入实验及分析
        5.5.3 线圈偏移实验及分析
        5.5.4 系统工作频率偏移实验及分析
    5.6 本章小结
6 结论
    6.1 结论
    6.2 后续工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2893654