恒流或恒压式感应无线电能传输特性研究及应用

摘要

感应式无线电能传输(Inductive Power Transmission，IPT)技术是以交变的电磁场为媒介，将能量从供电端传输到用户端，而无直接的电气接触。与传统的供电方式相比，感应式无线电能传输技术具有许多优点:避免使用繁冗导线，减少损耗，节省成本;同时实现电气和机械的双隔离，避免火花，安全可靠;不受水、灰尘的影响，可工作在恶劣环境中，如水下和矿井等。目前，感应式无线电能传输技术已应用在许多场合中，如消费电子、照明、电动汽车充电等，IPT变换器应直接提供负载需要的恒定驱动电流或恒定驱动电压，提高传输效率，因此，研究具有恒流或恒压输出特性的感应式无线电能传输技术具有广泛的应用前景。
　　为了高效地传输有功功率，IPT系统需要具备以下三个特性:l、提供负载需求的恒流或恒压输出;2、系统中不存在无功功率，即输入阻抗为纯阻性，输入电压和电流的相角差为零(Zero Phase Angle，ZPA);3、开关器件实现软开关，减少开关损耗，提高效率。而IPT系统的输入阻抗和输出特性均随工作频率和负载的变化而变化，难以同时满足以上要求。现有的研究为实现输入纯阻性，采用变频控制实现ZPA，而输出特性则采用后级变换器实现恒流或恒压输出，后级变换器增加了系统成本和损耗，变频控制易出现频率分叉现象，造成系统不稳定。
　　针对上述问题，本文拟从IPT变换器自身特性出发，寻找可同时实现以上目标的补偿电路和补偿方式。本文对四种基本的补偿方式，即串串（Series-Series，SS）、串并(Series-Parallel，SP)、并串（Parallel-Series，PS）、并并(Parallel-Parallel，PP)结构，进行详细的特性分析，研究其在不同的补偿方式下的输入阻抗和输出负载特性，提出在完全补偿原副边电感的条件下，SS和PP方式能够同时实现ZPA和恒流输出，SP和PS方式能够同时实现ZPA和恒压输出，通过适当调节补偿参数可便于实现软开关。为了验证上述分析，本文针对LED照明应用和蓄电池充电应用分别选择合适的恒流或恒压拓扑进行实验验证。采用SS结构搭建LED的无线供电平台，提供恒定的LED驱动电流，并且效率保持在90％以上。由于输出恒流大小与非接触式变压器参数有关，对于指定气隙和线圈大小的非接触变压器设计，其参数难以满足输出恒流要求，因此，本文提出了一种反复迭代的非接触式变压器的设计方案。针对锂电池无线充电场合，由于锂电池的充电方式为先恒流和后恒压，本文提出基于SS和PS的复合结构，SS实现恒流，PS实现恒压，采用切换开关实现恒流电路和恒压电路的切换。两种应用的实验结果充分证明所提出的恒流和恒压电路的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本课题研究内容和目标

1．4 论文组织结构

第二章 可实现恒流或恒压的基本补偿拓扑推导

2．1 补偿网络的必要性

2．2 补偿网络的设计原则

2．3 四种补偿方式的恒流或恒压设计

2．3．1 非接触式变压器模型

2．3．2 SS补偿方式分析

2．3．3 SP补偿方式分析

2．3．4 PS补偿方式分析

2．3．5 PP补偿方式分析

2．4 本章小结

第三章 IPT在LED无线照明系统中的应用

3．1 LED负载特性

3．2 无线LED照明供电系统

3．2．1 非接触式变压器寄生电阻RWP和RWS影响

3．2．2 补偿参数CP、CS灵敏度分析

3．2．3 ZVS实现

3．2．4 系统传输效率

3．3 非接触式变压器设计

3．4 本章小结

第四章 LED无线照明系统的实验验证

4．1 引言

4．2 主电路设计

4．2．1 非接触式变压器设计

4．2．2 原副边补偿电容选择

4．2．3 功率开关管和整流二极管选择

4．3 控制电路设计

4．4 实验波形与分析

4．5 本章小结

第五章 IPT在电池无线充电中的应用

5．1 电池负载特性

5．2 所提出的满足电池先恒流后恒压的复合式IPT系统

5．2．1 电池充电与控制

5．2．2 补偿参数LX、CP、CS灵敏度分析

5．2．3 ZVS实现

5．2．4 系统效率计算

5．3 本章小结

第六章 电池无线充电的实验验证

6．1 引言

6．2 主电路设计

6．2．1 补偿电容CP、CS选择

6．2．2 电感LX设计

6．2．3 逆变电路开关管选择

6．2．4 整流二极管选择

6．3 实验波形

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

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