基于阻抗匹配的IPT系统动态调谐电容特性研究

摘要

作为无线电能传输技术的一个重要分支—感应电能传输技术（inductively power transfer，IPT）具有广泛的应用前景。感应电能传输方式是利用电磁感应原理实现电能的无线传输，具有安全、灵敏度高等特点，广泛应用于电动汽车、家用电器及消费类电子产品等领域。
　　针对电动汽车无线充电，其对于地面的距离不同引起系统互感参数发生变化；同时对于家用电器供电平台，不同功率等级的电器的等效负载参数不同，这都将导致系统的工作频率发生变化，系统的传输功率和效率降低。
　　本文针对感应电能传输系统参数（互感参数、负载参数等）变化时，保证系统谐振频率稳定的问题展开研究。基于感应电能传输系统的高阶非线性特性，其工作在软开关状态时工作频率点不唯一，当系统工作在某一软开关工作点时系统的传输功率和效率最高，因此当系统参数变化时需保证感应电能传输系统稳定运行在当前工作频率点。
　　因此，对系统参数变化导致系统阻抗不匹配，发生工作频率漂移的情况进行调节，通过动态调节谐振电路（电感、电容）参数使系统阻抗匹配，从而保证系统工作频率的稳定性。对现有的动态调谐方法（相控电感调谐方法和简单并列电容阵列调谐方法）的工作原理进行分析。其中简单并列电容阵列的补偿电容值只能在基准电容基础上增加，电容阵列的体积和控制难度随着等效电容值范围和精度要求的提高而增大等问题。
　　本文利用复杂混合结构电容阵列代替简单并列电容阵列解决了补偿电容值只能在基准电容基础上增加的问题，并分析复杂混合结构电容阵列的基本电容模块的电容个数、输出等效电容值范围及精度，提出三电容模块，使利用少量电容，实现输出等效电容值的范围较大及精度较高，提高系统的稳定性。然后在提出的三电容模块的基础上，为满足宽功率等级的负载变化时对输出等效电容值范围及精度的要求，提出混合结构三电容阵列。最后利用遗传算法对三电容模块的电容取值进行优化，利用MATLAB环境下遗传算法工具箱得到三电容模块的电容优化值，并验证三电容模块在输出等效电容值范围和精度方面的有效性。通过搭建SP型IP T系统模型，在负载切换时利用电容阵列进行动态调谐，保证系统工作频率的稳定性。

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1 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3论文研究的目的及意义

1.4论文的结构与主要研究内容

1.5本章小结

2 IPT系统及阻抗特征分析

2.1 引言

2.2 IPT系统原理及其构成

2.3 IPT系统建模及软开关工作点

2.4 IPT系统参数特征分析

2.5 本章小结

3 IPT系统调谐技术

3.1 引言

3.2 相控电感调谐方法

3.3 简单并列电容阵列调谐方法

3.4 本章小结

4 混合结构电容阵列的特性分析

4.1 引言

4.2 混合结构电容阵列

4.3 可变电容模块结构设计

4.4 可变电容模块参数设计与优化

4.5 本章小结

5 电容阵列组态特性仿真分析

5.1 引言

5.2 基于MATLAB环境下的遗传算法的应用

5.3 三电容模块仿真

5.4 本章小结

6 总结与展望

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. 攻读硕士学位期间发表的论文

B. 攻读硕士学位期间参与的项目情况

C. 攻读硕士学位期间获奖情况