一种基于电磁耦合的无线能量/信号频分复合传输方法研究

摘要

随着电力电子技术的发展，无线能量传输(WPT,wirelesspowertransfer)技术在无线充电器和电动汽车充电站等应用中受到越来越广泛的关注。一个设计良好的无线能量传输系统应包括以下特点:高的功率密度;高的传输效率;可控的系统输出功率以及具有反馈控制机制。然而，在传统的WPT系统中，原、副边控制器之间缺少一种适应强磁场环境的可靠通信技术。另外，由于双向无线能量传输系统受限于缺乏原、副边同步机制，功率电路的设计和控制也存在一定困难。针对以上问题，本文在以下三个方面进行了研究:
　　1.从基本双线圈制无线能量传输补偿拓扑出发，重点研究电压型补偿拓扑串联串联结构(SS)和串联并联结构(SP)的静态工作特性，以及此类系统的频率分裂现象、输出特性和传输效率。给出了WPT系统特性与线圈寄生参数的关系，最后在500W的电压型无线能量传输实验平台上验证了理论模型。
　　2.在传统无线能量传输技术的基础上，进一步探究了基于频分复用方法的无线能量/信号传输技术。为了实现在较大功率应用中提高数据传输速率，本文提出了一种多频段能量/信号频分复用磁路技术。首先讨论了通信单元对功率传输的影响，研究了在磁耦合功率传输环境下近场通信信道特性，并建立了通信信道模型和信噪比模型，最后在实验样机上测试了该技术的有效性，实现了输出状态监测和高速数据传输功能，降低了“频率分裂”现象所带来的不利影响。
　　3.为了进一步增加系统控制裕度和能量流动的灵活性，在变流器原、副边采用双有源桥结构，并在所述无线能量/信号传输功能的基础上着重分析了电压型双有源桥结构的对称补偿拓扑、不对称补偿拓扑的静态工作特性，讨论了线圈寄生电阻对移相控制范围、系统输出功率和系统传输效率所带来的影响，最后在500W双有源桥结构无线能量传输实验装置上验证了理论分析。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 无线电能传输系统应用背景

1．1．2 无线电能传输方式分类

1．1．3 无线能量／信号复合传输技术应用背景及优势

1．2 电感耦合型无线能量传输综述

1．2．1 电感耦合型无线能量传输技术

1．2．2 无线能量传输中的频率分裂现象

1．2．3 无线能量传输系统电路拓扑

1．2．4 无线能量传输系统的控制

1．3 无线能量传输系统的通信问题

1．3．1 有线能量／信号复合传输技术

1．3．2 基于公共磁路的无线能量／信号传输技术

1．4 论文研究目标，方案与关键问题

第二章 基于不控整流桥结构的WPT系统分析

2．1 无线能量传输系统变换器模型

2．1．1 无线能量传输系统的功能需求

2．1．2 电压型无线能量传输拓扑

2．1．3 交流器工作分析

2．2 系统工作特性分析

2．2．1 系统静态工作特性

2．2．2 WPT频率分裂模型

2．2．3 输出功率与输出效率

2．3 系统参数设计

2．4 实验结果

2．5 本章小结

第三章 一种近场无线能量／信号传输系统

3．1 系统介绍

3．2 功率传输系统分析

3．2．1 SS结构功率分析

3．2．2 SP结构功率分析

3．3 数据传输系统分析

3．3．1 SS通信信道模型

3．3．2 SP通信信道模型

3．3．3 通信信道信噪比分析

3．4 通信电路设计

3．4．1 信号发生电路

3．4．2 信号接收电路

3．5 实验结果

3．6 本章小结

第四章 无线能量传输系统的副边控制方法

4．1 电压型对称补偿无线能量传输系统

4．1．1 电压型对称补偿变换器拓扑

4．1．2 双向工作特性分析

4．1．3 单向工作特性分析

4．2 电压型不对称补偿无线能量传输系统

4．2．1 电压型不对称补偿变换器拓扑

4．2．2 双向工作特性分析

4．2．3 单向工作特性分析

4．3 实验结果

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文主要工作

5．2 今后工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和申请的专利