基于功率波的車載設(shè)備無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究.pdf

1、無(wú)線電能傳輸(WPT，Wireless Power Transfer)技術(shù)是利用電磁場(chǎng)傳遞電能的一種新興技術(shù)，負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)以無(wú)線非接觸的方式從電源輸出端獲得電能。WPT技術(shù)綜合了電磁場(chǎng)理論、射頻技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制工程等多門學(xué)科和理論，是目前電氣工程領(lǐng)域最熱門的研究課題之一，也是基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用研究與一體的前沿方向，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。由于WPT技術(shù)可以解決車載設(shè)備接線凌亂、帶電拔插和電源線短路等問(wèn)題，并且具有安全、方便和可

2、靠等特點(diǎn)，在車載設(shè)備領(lǐng)域WPT技術(shù)引起極大重視并得到實(shí)際應(yīng)用。
　　車載設(shè)備的WPT系統(tǒng)具有自己的特點(diǎn)，例如由于采用車載電源供電，輸入電壓較低，通常為12V或者24V;車載設(shè)備種類較多需要滿足不同設(shè)備的功率需求;車載設(shè)備由于車輛的顛簸等容易造成線圈之間距離和位置變化，造成系統(tǒng)傳輸性能下降。WPT系統(tǒng)中由于原/副邊線圈的耦合系數(shù)較低，通常通過(guò)原/副邊保持同一諧振頻率的方法來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸效率或者負(fù)載功率。傳統(tǒng)的WPT系統(tǒng)建模方法由于

3、電氣參數(shù)和元器件較多，建模會(huì)生成多變量高階微分方程或者高階矩陣方程，方程中的任意參數(shù)的輕微變化都可能造成WPT系統(tǒng)輸出產(chǎn)生明顯變化。由于WPT系統(tǒng)是高階非線性系統(tǒng)，待確定的參數(shù)比較多，各種參數(shù)變化容易造成WPT系統(tǒng)傳輸性能低下或者傳輸效率、負(fù)載功率波動(dòng)。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用二端口網(wǎng)絡(luò)和功率波理論對(duì)WPT系統(tǒng)建模，基于WPT系統(tǒng)功率波的入射與反射情況建立功率流模型;并通過(guò)功率流模型來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)與分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將上述的建模和

4、分析方法應(yīng)用到車載設(shè)備無(wú)線傳能裝置，以解決目前車載設(shè)備的WPT裝置傳輸效率較低和負(fù)載功率低等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)針對(duì)WPT系統(tǒng)傳統(tǒng)方法建模復(fù)雜與求解難等問(wèn)題，本文利用二端口網(wǎng)絡(luò)和功率波理論分析關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)功率波的反射與入射情況，從而建立功率流模型;并根據(jù)阻抗匹配與功率流模型，優(yōu)化WPT系統(tǒng)的傳輸效率和負(fù)載功率。相對(duì)于傳統(tǒng)建模方法，二端口網(wǎng)絡(luò)和功率波理論方法簡(jiǎn)化了WPT系統(tǒng)的建模與計(jì)算過(guò)程。功率流模型揭

5、示了WPT系統(tǒng)在無(wú)線電能傳輸過(guò)程中功率傳遞、消散和損耗等情況。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述研究方法不僅適用于車載設(shè)備的WPT系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，同樣也適用于通用的WPT系統(tǒng)的建模與分析。
　　(2)針對(duì)車載設(shè)備的高頻小功率WPT系統(tǒng)源阻抗為50Ω的情況，本文遵循最大功率傳輸原則對(duì)WPT系統(tǒng)進(jìn)行了建模與分析。提出了采用最小損耗模式進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，避免了當(dāng)負(fù)載變化時(shí)全匹配模式會(huì)引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)造成的系統(tǒng)損耗等問(wèn)題。對(duì)上述兩種模式進(jìn)行了對(duì)比

6、研究，兩種模式均能達(dá)到理想的傳輸性能，并有各自的適用范圍。
　　(3)多諧振線圈WPT系統(tǒng)等效二端口網(wǎng)絡(luò)滿足全匹配條件時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中距離的高效功率傳輸。本文提出通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入線圈與原邊諧振線圈、副邊諧振線圈與輸入線圈之間距離和小幅度調(diào)節(jié)諧振頻率來(lái)滿足多諧振線圈WPT系統(tǒng)全匹配的條件，從而保證實(shí)現(xiàn)高負(fù)載功率。
　　(4)由于車載設(shè)備的低頻大功率WPT系統(tǒng)阻抗較低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需遵循最大傳輸效率原則的特點(diǎn)。本文利用功率波理論和關(guān)