磁共振无线传能系统最大效率点优化控制方法的研究

摘要

无线电能传输技术是一种用电设备与电源完全隔离的能量传输技术，具有高安全性、高可靠性以及高灵活性等优点，在电动车、消费电子和传感器等领域具有广阔的应用前景。针对该技术的特点以及系统参数变化导致效率降低的问题，本文从理论、拓扑结构以及控制方法等方面进行了研究，包括最大效率点控制方法和自适应跟踪控制方法，提高了无线电能传输系统的性能。 本文利用交流等效电路和解耦等效电路分析了无线传能系统传输效率最大化的频率条件和负载条件，在满足上述条件前提下分析了系统的输入输出特性。针对等效串联电阻随频率变化的问题，以交流电阻对频率的敏感度系数作为参数，研究了不同敏感度系数下效率与频率的关系。针对等效串联电阻随谐振电流变化的问题，利用近似方法和数值迭代方法分析得到系统的传输效率。 本文阐述了磁共振无线电能传输系统的结构组成，着重介绍了输入端高频逆变电路、谐振线圈以及输出端整流电路。依据电路结构分析，设计了高效率开环实验系统，为闭环系统控制方法的制定奠定了实验基础。 开环无线传能系统虽然能够通过优化设计实现高效率能量传输，但在实际应用中系统的输出电压和传输效率受耦合系数和负载电阻变化的显著影响。本文采用互感理论分析了无线传能系统输出电压和传输效率与耦合系数和负载变化的关系。与已有的典型控制方法相比，所设计的最大效率点跟踪控制方法能够在传输距离和负载电阻远离最佳值的情况下调整系统输出电压并实现最高效率。 本文分析了磁共振无线传能系统的失谐原理，为保证系统始终工作在谐振频率，设计了基于模糊PI自适应跟踪算法的控制电路，通过跟踪控制逆变电路电压信号和发射端线圈电流信号，使输出电压电流同相位，确保电路处于谐振状态。通过仿真实验结果表明，自适应跟踪控制器在参数发生剧烈变化时可保证系统有良好的动静态性能并获得最大的传输效率。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 无线传能技术发展及分类

1.3 磁共振无线传能技术及控制问题

1.3.1 磁共振无线传能技术介绍

1.3.2 磁共振无线传能系统的控制策略

1.4 磁共振无线传能系统控制策略的研究现状

1.5 本文主要研究内容

第二章 开环无线传能系统的效率分析

2.1 无线传能系统交流等效电路

2.2 无线传能系统效率最大化条件

2.2.1 频率条件

2.2.2 负载条件

2.3 效率最大化条件下系统的输入输出特性

（1）有功功率传输

（2）无功功率传输

（3）损耗功率

（4）传输效率

2.4 等效串联电阻随频率变化时系统效率分析

2.5 等效串联电阻随谐振电流变化时系统效率分析

2.5.1 完全共振条件下的近似分析

2.5.2 不完全共振条件下的迭代分析

2.6 本章小结

第三章 开环无线传能系统电路分析与设计

3.1 系统结构组成

3.2 高频逆变电路设计

3.2.1 高频逆变电路选型

3.2.2 功率器件的选择

3.3 谐振线圈的选型与设计

3.4 高频整流电路设计

3.5 高效率开环实验系统的设计

3.6 本章小结

第四章 磁共振无线传能系统最大效率点跟踪控制方法的研究

4.1 参数变化对开环无线传能系统传输特性的影响

4.2 典型闭环控制方法概述

4.2.1 逆变调压

4.2.2 输入端调压

4.2.3 输出端调压

4.3 MEPT控制方法

4.3.1 MEPT系统结构

4.3.2 MEPT控制方法

4.4 仿真与实验验证

4.4.1 仿真分析

4.4.2 实验验证

4.5 本章小结

第五章 磁共振无线传能系统模糊自适应控制方法的研究

5.1 磁共振无线传能系统失谐影响的研究

5.1.1 失谐原理分析

5.1.2 失谐对系统能效特性的影响

5.2 频率自适应跟踪控制电路的设计

5.2.1 跟踪算法理论分析

5.2.2 自适应模糊控制器

5.3 仿真与实验验证

5.3.1 仿真分析

5.3.2 实验验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本论文研究总结

6.2 未来研究展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢