包絡(luò)調(diào)制無線電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究.pdf

1、磁耦合無線電能傳輸技術(shù)（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT）是一種以交變的電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸?shù)鸟詈鲜綗o線電能傳輸技術(shù)，具有廣大的市場(chǎng)前景和科學(xué)研究?jī)r(jià)值，目前已引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的高度重視?，F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸模式尚存在控制復(fù)雜、功率因數(shù)低、成本高和系統(tǒng)效率低等問題，這一定程度阻礙了無線電能傳輸技術(shù)的推廣應(yīng)用，為此誕生了包絡(luò)調(diào)制磁耦合無線電能傳輸

2、技術(shù)（Envelope Modulation Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，EMMC-WPT），以下簡(jiǎn)稱包絡(luò)調(diào)制WPT。目前包絡(luò)調(diào)制WPT技術(shù)的研究與應(yīng)用開發(fā)尚不夠全面和深入，對(duì)包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)的穩(wěn)定工作邊界、副邊AC-AC包絡(luò)解調(diào)，如何在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓和能量雙向流動(dòng)等問題有待進(jìn)一步分析和研究，為包絡(luò)調(diào)制WPT技術(shù)的推廣應(yīng)用提供支撐。
　　本文依托國(guó)家高技

3、術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“公共無線攜能通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：2015AA016201）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“自組織無線電能傳輸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：51277192）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“大功率無線電能傳輸系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：51377183），面向包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)的關(guān)鍵問題展開研究，本文主要做了以下工作：
　　1.針對(duì)包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)隨著諧振網(wǎng)絡(luò)電阻變化，系統(tǒng)出現(xiàn)無法諧振或部分振蕩

4、，以及能量包絡(luò)谷值逐漸偏離零點(diǎn)的現(xiàn)象，繼而影響系統(tǒng)電能正常傳輸與品質(zhì)的這一問題，對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變量展開時(shí)域分析，給出了邊界條件的離散迭代方法，確定了包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)的工作邊界條件，并引入修正系數(shù)對(duì)理論邊界精確度進(jìn)行修正。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了直流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)在邊界范圍內(nèi)，能夠起振，超出起振邊界無法振蕩；交流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)在邊界范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠完全起振并工作在軟開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)谷值偏零程度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，一旦超出起振上邊界，系

5、統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入部分振蕩區(qū)域，一旦超過包絡(luò)零谷值下限邊界，則包絡(luò)谷值的偏零程度將會(huì)超出設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍。
　　2.針對(duì)傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用在交流負(fù)載遇到的一系列問題，本文基于沖量定理與能量守恒原理，在沒有顯著增加電路復(fù)雜程度的前提下，在原邊采用能量注入與自由振蕩模態(tài)組合的形式，調(diào)整注入原邊回路的能量規(guī)模以適應(yīng)負(fù)載的功率變化，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下輸出端的穩(wěn)壓。
　　3.針對(duì)傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)應(yīng)用在交流負(fù)載時(shí)存在效率低、控制復(fù)雜、功率

6、因數(shù)低等問題，提出一種副邊AC-AC包絡(luò)調(diào)制無線電能傳輸系統(tǒng)，并就副邊能量變換及包絡(luò)解調(diào)問題進(jìn)行了分析和研究，所提出的結(jié)構(gòu)不僅適用于交流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)同樣也可以適用于直流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)。
　　4.針對(duì)現(xiàn)有的AC-AC逆變器普遍存在功率器件偏多、控制十分復(fù)雜，此外MC-WPT系統(tǒng)尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)原邊到副邊實(shí)現(xiàn)AC-AC變換和雙向交流電能傳輸進(jìn)行研究的問題，提出了一種基于AC-AC變換的高頻雙向交流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)，用以完成系統(tǒng)原

7、邊與副邊的雙向交流電能的無線傳輸。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的AC-AC無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流電能雙向傳輸?shù)挠行?，在滿足能量雙向無線傳輸需求的同時(shí)降低了功率器件的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，并在動(dòng)態(tài)負(fù)載下，可以保持輸出恒流特性。
　　本文主要有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新性貢獻(xiàn)：
　　①提出一種適用于包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)的穩(wěn)定工作邊界條件。給出邊界條件的離散迭代方法，引入修正系數(shù)對(duì)理論邊界精確度進(jìn)行修正，該邊界條件確定了系統(tǒng)工作的范圍，解決了諧振網(wǎng)

8、絡(luò)電阻變化引起系統(tǒng)出現(xiàn)無法諧振、部分振蕩及能量包絡(luò)谷值偏離零點(diǎn)的問題，確保系統(tǒng)電能傳輸?shù)姆€(wěn)定與品質(zhì)。
　?、卺槍?duì)基于包絡(luò)調(diào)制原理的WPT系統(tǒng)在交流負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)合控制復(fù)雜以及交流電能無法雙向流動(dòng)等問題，提出一種適用于交流負(fù)載的包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)穩(wěn)壓控制方法以及基于AC-AC變換的高頻雙向交流包絡(luò)調(diào)制WPT系統(tǒng)。在原邊采用動(dòng)態(tài)調(diào)整注入原邊回路的能量規(guī)模，從而實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下輸出交流電壓的穩(wěn)壓控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)原邊到副邊雙向交流電能的