基于动态相量法的无线电能传输系统建模与控制研究

摘要

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术能够实现无电气接触情况下，电能从发射源到用电设备的传输，这种技术可以克服传统电缆连接供电方式导致的接触不良、接触火花，线缆多操作不便等缺陷，提高了供用电的安全性和便利性。无线电能传输技术在消费电子设备，新能源汽车，轨道交通装备，机器人，医疗设备等领域有着广泛的应用前景，在2014年，美国《时代》周刊将无线电能传输技术评选为年度最有影响力的发明之一。另外，世界经济论坛将无线电能传输技术评为对世界影响最大，最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术。在无线电能传输技术的几个技术分支中，磁耦合感应式无线电能传输(Magnetic Coupling Inductive Wireless Power Transfer，MCI-WPT)技术由于其传输功率大，传输效率较高，设备灵活性强，电磁辐射小和抗干扰能力强等特性，成为无线电能传输技术领域的研究热点，有着较好的应用前景和较多的应用场景，这其中，电动汽车的无线充电是目前发展最为迅速的领域，无线充电技术给电动汽车充电带来的便利性、灵活性和安全性，使人们对电动汽车的认可度大大增强，加速了电动汽车的在市场上的普及，对我们国家环境保护，减少碳排放，实现在汽车技术领域的弯道超车具有一定的重要意义。
　　MCI-WPT系统由于通过空气等介质进行磁耦合，没有任何电介质接触，是一种松耦合系统，这种松耦合特性使得MCI-WPT系统必须引入高频谐振补偿网络才能有效进行电能的无线传输。在原副边电路中引入的高频谐振网络使得MCI-WPT系统变为一个高阶次，变结构，非线性的系统，这给MCI-WPT系统的准确建模带来了困难，因此需要研究准确的建模方法，才能准确地分析MCI-WPT系统并以此为依据设计控制器。本文以磁耦合感应式无线电能传输系统作为研究对象，首先介绍了磁耦合感应式无线电能传输系统的结构和系统原理，对国内外研究现状进行了概述，并对常用的的MCI-WPT系统建模原理和方法进行了介绍，通过分析现有方法的局限性，引出了本课题研究的重要意义。然后，详细介绍了动态相量法的概念和基本原理，并基于动态相量法，以串-串补偿的MCI-WPT系统为对象进行了建模，从而验证了动态相量法建模的可行性与准确性。然后对串联-并联补偿磁耦合感应式无线电能传输系统进行了动态相量建模，建立了其整体的线性模型，基于此模型，对系统进行了控制器设计和动态特性分析并进行了计算机仿真。最后，设计并搭建了基于硬件实验测试平台，对所建立模型的准确性进行了验证。

目录

1 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究目的与意义

1.4 论文结构与主要研究内容

1.5 本章小结

2 MCI-WPT系统原理及建模方法分析

2.1 引言

2.2 MCI-WPT系统结构与工作原理

2.3 MCI-WPT系统建模方法分析

2.4 本章小结

3动态相量建模方法与应用分析

3.1 引言

3.2 传统相量法介绍

3.3 动态相量法的原理

3.4 动态相量法建模模型验证

3.5 本章小结

4 MCI-WPT系统动态相量建模及控制器设计

4.1 引言

4.2 基于动态相量法的MCI-WPT系统建模

4.3 系统闭环控制器设计

4.4 本章小结

5系统仿真与实验研究

5.1 引言

5.2 系统MATLAB/Simulink仿真分析

5.3 实验装置搭建和结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间承担或参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间取得的奖励和荣誉