谐波注入式感应耦合电能传输系统负载识别技术研究

摘要

感应耦合电能传输（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）技术是一种综合利用磁场耦合技术、大功率高频能量变换技术、现代电力电子技术等，采用现代控制策略，将能量以磁电转换的方式从供电端传输到用电端的现代能量传输技术，具有高效、适应性强、高可靠性等优点，目前已经引起了广大研究学者们的普遍关注，并在手机、家用电器、煤矿、水下、人体内置设备体外供电等领域得到广泛应用。 随着ICPT技术的发展，同一原边供电装置为不同用电设备进行无线供电逐渐成为可能。不同供电设备反应为系统负载的不同，而负载改变将对系统输入阻抗产生影响进而改变系统输出功率效率特性。系统需要根据不同的负载大小及功率等级来确保其高效、可靠传输，同时，负载的识别与感知是对ICPT系统进行设计和研究的基础，因此ICPT系统迫切需要一种高精度负载识别方法来实现系统的精确控制和提升系统性能。 本文基于叠加定理和傅里叶分解理论，提出一种基波-谐波双通路并行ICPT系统的负载识别方式，通过在传统的ICPT系统中增加谐波通道，研究系统并行工作模式，实现在不影响能量正常传输的同时，完成高精度负载参数的辨识。 文章首先以系统中四种基本无功补偿网络为例分析负载变化对系统谐振频率的影响，从而影响系统输出功率、效率特性；然后分析三种目前已有的负载识别方法中存在的缺陷与不足；接着论文基于叠加定理和傅里叶分解理论，提出一种基于谐波注入的基波-谐波双通道并行ICPT系统的负载识别方法，并对其工作原理及模式进行了详细的介绍，同时基于理论分析结果，利用MATLAB/Simulink建立系统仿真模型，对系统补偿网络的原边恒流特性以及选频特性进行验证，并选取九组负载对本文所提负载识别方法进行验证；最后搭建无线供电系统硬件平台，在实际不同负载情况下对基于谐波注入的负载识别方法进行实际验证。仿真和实验均验证了基于谐波注入实现负载识别方法的正确性和有效性，本文研究内容对无线电能传输技术的进一步推广起了积极的作用。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1论文研究背景

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 本课题研究现状

1.3课题研究目的及意义

1.3.1 研究目的

1.3.2 论文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 ICPT技术基础理论

2.1 引言

2.2.1 ICPT系统基本工作原理

2.2.2 ICPT系统的基本机构

2.3磁路耦合机构建模

2.3.1 磁路耦合机构漏感模型

2.3.2 磁路耦合机构互感模型

2.3.3 磁路耦合机构的参数测定

2.4负载变化对系统输出特性的影响分析

2.4.1 负载变化对系统原边网络谐振频率的影响

2.4.2 谐振频率变化对系统输出功率及效率的影响

2.5传统负载识别技术分析

2.5.1 基于反射阻抗基本理论的负载识别方法

2.5.2 基于能量模型的反射阻抗计算

2.5.3 基于自由振荡方式与能量注入的负载识别

2.6 本章小结

3 基于谐波注入的ICPT系统的负载识别方法建模与仿真分析

3.1 引言

3.2傅里叶变换的理论基础知识

3.3基于谐波注入的ICPT系统的负载识别模型设计

3.3.1 谐波注入式ICPT系统的负载识别工作原理分析

3.3.2 ICPT系统无功补偿拓扑选择

3.3.3 ICPT系统磁路耦合机构选型

3.4 基于谐波注入实现负载识别的ICPT系统功率和效率特性分析

3.5 基于谐波注入实现负载识别的ICPT系统仿真研究

3.5.1 LCCL电路特性验证

3.5.2 ICPT系统负载识别方法仿真分析

3.6 本章小结

4 基于谐波注入实现负载识别的ICPT系统硬件设计

4.1 引言

4.2主电路设计

4.2.1 系统工作频率选择

4.2.2 功率开关管选择

4.2.3 磁路耦合机构设计

4.2.4 谐振电容选择

4.3.1 开关管驱动电路设计

4.3.2 电流采样电路设计

4.3.3 DSP控制芯片介绍

4.4 本章小结

5 基于谐波注入实现负载识别的ICPT系统实验研究

5.1 引言

5.2 基于谐波注入实现负载识别的ICPT系统实验研究

5.3实验结果及分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2后续研究工作展望

参考文献

作者简历

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