磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化與控制問題研究.pdf

1、磁共振模式無線電能傳輸技術(shù)通過在傳統(tǒng)感應(yīng)模式的基礎(chǔ)上增加兩個高Q值的共振線圈來實現(xiàn)電能的中尺度傳輸，解決了傳統(tǒng)感應(yīng)模式只能小尺度傳輸電能的弊端，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前磁共振模式無線電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用開發(fā)尚不全面和不夠深入，相關(guān)理論和實驗研究還比較欠缺，對磁共振模式的傳輸特性、設(shè)計方法以及磁共振模式的固有的特性還缺乏具有指導(dǎo)意義的理論與實驗研究。雖然有相關(guān)文獻(xiàn)對磁共振系統(tǒng)的傳輸功率和效率進(jìn)行過一定的分析，但大多數(shù)文獻(xiàn)還是基于MIT

2、采用的耦合模理論對磁共振模式的的電能傳輸特性進(jìn)行分析。耦合模理論避開了物理模型的分析，直接對物體間的能量耦合進(jìn)行分析，屬于一種宏觀上的理論分析方法，避開了物理模型也使得耦合模理論無法反映局部參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。
　　本文針對磁共振模式的電能傳輸特性問題，從系統(tǒng)的互感耦合模型出發(fā)，對系統(tǒng)的傳輸機理、功率、效率，頻率以及輸出特性進(jìn)行了全面和系統(tǒng)的分析，同時根據(jù)理論分析提出相應(yīng)的驅(qū)動，參數(shù)設(shè)計，參數(shù)在線計算以及功率控制等方法，并利用仿

3、真與實驗來驗證理論分析以及相應(yīng)設(shè)計控制方法的有效性。
　　在研究過程中，作者主要作了以下工作：
　　1.針對磁共振系統(tǒng)四種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用互感耦合理論，綜合考慮共振頻率、互感、內(nèi)阻等各個參數(shù)，給出了傳輸功率和傳輸效率的計算模型，在此基礎(chǔ)上，分析了互感耦合參數(shù)對能效特性的影響，并優(yōu)化互感以提高系統(tǒng)的功率傳輸能力。通過與傳統(tǒng)感應(yīng)模式的對比分析，對磁共振模式的電能傳輸機理進(jìn)行了理論分析，最后，通過實驗研究以驗證互感耦合模型在磁共

4、振模式理論分析中的有效性。
　　2.通過對傳統(tǒng)磁共振模式的分析，提出利用集總電容代替原來的分布電容以降低系統(tǒng)設(shè)計難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。磁共振系統(tǒng)具有多個線圈，多個補償電容，多個互感，各個參數(shù)之間相互制約，相互影響，系統(tǒng)的設(shè)計是一個多參數(shù)，多變量的優(yōu)化問題，以往的參數(shù)優(yōu)化一般是單參數(shù)優(yōu)化而且只優(yōu)化到互感，并沒有優(yōu)化到具體的匝數(shù)上來，本文利用線圈匝數(shù)與自感互感的關(guān)系，以采用集總電容的SSSS型拓?fù)錇閮?yōu)化對象，給出了系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)規(guī)

5、劃模型，利用改進(jìn)型遺傳優(yōu)化算法給出了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計方法。最后，通過實驗研究證明了理論分析與設(shè)計方法的正確性。
　　3.以PSSS電流型磁共振系統(tǒng)為例，基于頻閃映射和周期不動點理論對其進(jìn)行建模分析，給出了PSSS系統(tǒng)的頻率和功率模型，利用頻率模型對其軟開關(guān)工作點特性進(jìn)行了仿真研究，從而得出磁共振模式適宜采用恒頻控制的結(jié)論，利用功率模型分析了原邊諧振電流、負(fù)載輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PSSS型結(jié)構(gòu)具有自然恒流恒壓的特性，通過交流阻抗

6、法給出了使系統(tǒng)自然恒流恒壓的負(fù)載邊界條件。最后通過仿真與實驗驗證了理論分析的正確性。
　　4.由于磁共振系統(tǒng)的高階特性使得系統(tǒng)很容易出現(xiàn)多軟開關(guān)工作點，系統(tǒng)的高 Q值也使得系統(tǒng)的頻率魯棒性降低，因此磁共振系統(tǒng)需要進(jìn)行恒頻驅(qū)動。磁共振系統(tǒng)工作頻率高于傳統(tǒng)的感應(yīng)模式，為降低損耗，逆變器還應(yīng)工作在軟開關(guān)狀態(tài)。本文提出了一種新型的恒頻軟開關(guān)逆變拓?fù)?，對軟開關(guān)的工作原理，系統(tǒng)的工作模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了系統(tǒng)零電壓工作的邊界條件。仿真及實

7、驗結(jié)果驗證了該軟開關(guān)逆變拓?fù)涞挠行浴?br>　　5.針對磁共振發(fā)射端接收端電氣隔離造成的接收端參數(shù)檢測困難的問題，提出一種新型的參數(shù)在線計算模型，在不需要對接收端參數(shù)進(jìn)行檢測的情況下，通過發(fā)射線圈電壓電流相位來實時計算接收端參數(shù)。對接收端為并聯(lián)補償?shù)耐負(fù)浣o出了負(fù)載以及共振線圈間互感的計算表達(dá)式，對接收端為串聯(lián)補償?shù)耐負(fù)鋭t給出了負(fù)載的表達(dá)式。對于接收端為串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，若需要同時檢測負(fù)載以及共振線圈間的互感則需要利用能量模型來計算，本文也給

8、出了基于能量模型的負(fù)載和互感的計算表達(dá)式。最后根據(jù)計算結(jié)果構(gòu)建了一個Buck控制器對輸出進(jìn)行控制，并通過實驗對理論分析進(jìn)行了驗證。
　　本文主要有以下幾點創(chuàng)新性貢獻(xiàn)：
　?、裴槍鹘y(tǒng)基于分布電容的磁共振模式頻率魯棒性差，參數(shù)設(shè)計困難的問題提出了一種基于集總電容的磁共振模式參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，給出了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，得到了較優(yōu)的參數(shù)設(shè)計結(jié)果。
　?、漆槍Υ殴舱衲Ｊ叫枰泐l驅(qū)動的問題，提出了一種新型的恒頻軟開