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通過在傳統(tǒng)感應模式的基礎上增加兩個高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)感應模式只能小尺度傳輸電能的弊端，具有廣闊的應用前景。目前磁共振模式無線電能傳輸技術的研究與應用開發(fā)尚不全面和不夠深入，相關理論和實驗研究還比較欠缺，對磁共振模式的傳輸特性、設計方法以及磁共振模式的固有的特性還缺乏具有指導意義的理論與實驗研究。雖然有相關文獻對磁共振系統(tǒng)的傳輸功率和效率進行過一定的分析，但大多數(shù)文獻還是基于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行了全面和系統(tǒng)的分析，同時根據(jù)理論分析提出相應的驅動，參數(shù)設計，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設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)四種基本拓撲結構，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)感應模式的對比分析，對磁共振模式的電能傳輸機理進行了理論分析，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)與自感互感的關系，以采用集總電容的SSSS型拓撲為優(yōu)化對象，給出了系統(tǒng)的非線性數(shù)學規(guī)

5、劃模型，利用改進型遺傳優(yōu)化算法給出了系統(tǒng)的參數(shù)設計方法。最后，通過實驗研究證明了理論分析與設計方法的正確性。
　　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工作點特性進行了仿真研究，從而得出磁共振模式適宜采用恒頻控制的結論，利用功率模型分析了原邊諧振電流、負載輸出電壓與負載的關系，發(fā)現(xiàn)PSSS型結構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)需要進行恒頻驅動。磁共振系統(tǒng)工作頻率高于傳統(tǒng)的感應模式，為降低損耗，逆變器還應工作在軟開關狀態(tài)。本文提出了一種新型的恒頻軟開關逆變拓撲，對軟開關的工作原理，系統(tǒng)的工作模態(tài)進行了詳細分析，給出了系統(tǒng)零電壓工作的邊界條件。仿真及實

7、驗結果驗證了該軟開關逆變拓撲的有效性。
　　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)耐負浣o出了負載以及共振線圈間互感的計算表達式，對接收端為串聯(lián)補償?shù)耐負鋭t給出了負載的表達式。對于接收端為串聯(lián)型結構，若需要同時檢測負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載和互感的計算表達式。最后根據(jù)計算結果構建了一個Buck控制器對輸出進行控制，并通過實驗對理論分析進行了驗證。
　　本文主要有以下幾點創(chuàng)新性貢獻：
　?、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)化設計方法，給出了參數(shù)優(yōu)化設計的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，得到了較優(yōu)的參數(shù)設計結果。
　　⑵針對磁共振模式需要恒頻驅動的問題，提出了一種新型的恒頻軟開