包絡調(diào)制無線電能傳輸系統(tǒng)關鍵問題研究.pdf

1、磁耦合無線電能傳輸技術（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT）是一種以交變的電磁場實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)鸟詈鲜綗o線電能傳輸技術，具有廣大的市場前景和科學研究價值，目前已引起國內(nèi)外研究學者的高度重視?，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的推廣應用，為此誕生了包絡調(diào)制磁耦合無線電能傳輸

2、技術（Envelope Modulation Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，EMMC-WPT），以下簡稱包絡調(diào)制WPT。目前包絡調(diào)制WPT技術的研究與應用開發(fā)尚不夠全面和深入，對包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)的穩(wěn)定工作邊界、副邊AC-AC包絡解調(diào)，如何在不增加系統(tǒng)復雜度情況下實現(xiàn)交流穩(wěn)壓和能量雙向流動等問題有待進一步分析和研究，為包絡調(diào)制WPT技術的推廣應用提供支撐。
　　本文依托國家高技

3、術研究發(fā)展計劃（863計劃）“公共無線攜能通信系統(tǒng)關鍵技術研發(fā)”（項目編號：2015AA016201）、國家自然科學基金項目“自組織無線電能傳輸網(wǎng)關鍵技術研究”（項目編號：51277192）、國家自然科學基金項目“大功率無線電能傳輸系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略研究”（項目編號：51377183），面向包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)的關鍵問題展開研究，本文主要做了以下工作：
　　1.針對包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)隨著諧振網(wǎng)絡電阻變化，系統(tǒng)出現(xiàn)無法諧振或部分振蕩

4、，以及能量包絡谷值逐漸偏離零點的現(xiàn)象，繼而影響系統(tǒng)電能正常傳輸與品質的這一問題，對諧振網(wǎng)絡的狀態(tài)變量展開時域分析，給出了邊界條件的離散迭代方法，確定了包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)的工作邊界條件，并引入修正系數(shù)對理論邊界精確度進行修正。仿真與實驗結果表明了直流包絡調(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狀態(tài)，同時谷值偏零程度控制在設計范圍內(nèi)，一旦超出起振上邊界，系

5、統(tǒng)將會進入部分振蕩區(qū)域，一旦超過包絡零谷值下限邊界，則包絡谷值的偏零程度將會超出設計目標范圍。
　　2.針對傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)應用在交流負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)模以適應負載的功率變化，從而實現(xiàn)動態(tài)負載條件下輸出端的穩(wěn)壓。
　　3.針對傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)應用在交流負載時存在效率低、控制復雜、功率

6、因數(shù)低等問題，提出一種副邊AC-AC包絡調(diào)制無線電能傳輸系統(tǒng)，并就副邊能量變換及包絡解調(diào)問題進行了分析和研究，所提出的結構不僅適用于交流包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)同樣也可以適用于直流包絡調(diào)制WPT系統(tǒng)。
　　4.針對現(xiàn)有的AC-AC逆變器普遍存在功率器件偏多、控制十分復雜，此外MC-WPT系統(tǒng)尚未發(fā)現(xiàn)對原邊到副邊實現(xiàn)AC-AC變換和雙向交流電能傳輸進行研究的問題，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。仿真與實驗結果驗證了所提出的AC-AC無線電能傳輸系統(tǒng)實現(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降低了功率器件的規(guī)模，實現(xiàn)軟開關，并在動態(tài)負載下，可以保持輸出恒流特性。
　　本文主要有以下幾點創(chuàng)新性貢獻：
　　①提出一種適用于包絡調(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)對理論邊界精確度進行修正，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谷值偏離零點的問題，確保系統(tǒng)電能傳輸?shù)姆€(wěn)定與品質。
　?、卺槍诎j調(diào)制原理的WPT系統(tǒng)在交流負載應用場合控制復雜以及交流電能無法雙向流動等問題，提出一種適用于交流負載的包絡調(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調(diào)制WPT系統(tǒng)。在原邊采用動態(tài)調(diào)整注入原邊回路的能量規(guī)模，從而實現(xiàn)在動態(tài)負載條件下輸出交流電壓的穩(wěn)壓控制，并實現(xiàn)對系統(tǒng)原邊到副邊雙向交流電能的