无线电能传输系统的最大效率跟踪

摘要

磁耦合谐振式（Magnetically-Coupled Resonant，MCR）无线电能传输（Wireless PowerTransfer，WPT）因其具有在中长距离传输较大电能的优势，获得较高的潜在应用价值。而效率始终是无线电能传输系统的关键问题，因此，本文主要针对MCR-WPT系统进行最大效率跟踪问题的研究。 针对WPT系统的四种基本拓扑结构，采用电路理论分别建立其稳态效率模型，并对效率模型进行仿真和分析，得到四种拓扑结构的特点以及效率与各种因素的关系，进而为最大效率的跟踪以及实验设计方案的选择提供理论依据。 针对串-串结构的MCR-WPT系统，分别围绕三种最大效率跟踪方法展开研究。对于谐振频率跟踪法，首先对系统的效率模型进行深入分析，得出“谐振”是系统取得最大效率的必要条件；进一步给出基于锁相环的谐振频率跟踪方案，并通过仿真验证了其实现最大效率跟踪的可行性。对于阻抗匹配法，首先分析其传输效率，得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统是取得最大效率的必要条件；进一步分析并证明在线圈互感（线圈距离）一定的情况下，存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值；然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载，采用扰动观察法实现最优等效负载的匹配和最大效率的跟踪。并且进一步提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案。对于发射端最小功率跟踪法，保持负载侧输出电压或功率不变，通过控制发射端的输出功率跟踪其最小功率使系统获得最大效率；进一步采用状态空间平均法建立输出端DC-DC变换器的数学模型并进行稳压控制器算法的设计，采用扰动观察法实现了输入端最小功率跟踪算法设计。 对MCR-WPT系统进行硬件设计，选择阻抗匹配法进行最大效率跟踪软件设计，并进行跟踪实验研究。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2无线电能传输的研究与发展现状

1.3最大效率跟踪的研究现状

1.4 课题研究目的及意义

1.5主要研究内容

第2章 无线电能传输的效率分析

2.1 磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理

2.1.1 麦克斯韦方程

2.1.2 耦合模理论

2.1.3 磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理

2.2 无线电能传输系统的基本结构

2.3 两线圈等效电路模型

2.4无线电能传输系统的效率分析

2.4.1 串-串结构的效率分析

2.4.2 串-并结构的效率分析

2.4.3 并-串结构效率分析

2.4.4 并-并结构效率分析

2.4.5 效率分析总结

2.5本章小结

第3章 串-串结构WPT系统的最大效率跟踪方法研究

3.1 谐振频率跟踪法

3.1.1谐振耦合模型

3.1.2 频率分裂

3.1.3 频率调谐最大效率跟踪法

3.2 阻抗匹配法

3.2.1 阻抗匹配最大效率跟踪原理

3.2.2 扰动观察法

3.2.3 仿真研究

3.3 发射端输出功率最小法

3.3.1 基本思想与系统结构

3.3.2 发射端控制器算法设计

3.3.3 接收端控制器算法设计

3.3.4 发射端最小功率法仿真

3.4 本章小结

第4章 最大效率跟踪系统设计与实验

4.1 系统组成

4.2 发射端电路设计

4.3 接收端电路设计

4.4 控制电路设计

4.5 软件流程

4.6最大效率跟踪实验与分析

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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