典型耦合机构的EC-WPT系统与参数设计及优化方法

摘要

电场耦合无线电能传输(Electric-field Coupled Wireless Power Transfer,EC-WPT)技术是一种以高频电场作为能量传输介质，并综合利用电力电子技术、电工理论和现代控制理论，实现无直接电气连接的电能传输技术。电场耦合机构一般由四块金属电极构成，其结构简易轻薄，成本低，形状易变；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗；当接收电极和发射电极之间存在金属时，可以跨越金属进行传能。EC-WPT系统的上述特点使得该技术越来越受到国内外专家和学者的关注。　　EC-WPT系统针对不同的应用需要不同的耦合机构，如两对电极平行式耦合机构和四电极层叠式耦合机构。由于EC-WPT系统不同耦合机构的耦合特性不一样，系统的分析方法与参数设计方法不尽相同。为了保证系统高效稳定地为负载提供所需的功率，一般引入谐振补偿网络以增大系统谐振容量，与此同时，还需要针对谐振补偿网络进行分析，给出合适的系统参数设计方法。谐振补偿网络的引入使得EC-WPT系统阶数增加，由于高阶系统参数较多，在设计参数的过程中需要综合考虑发射端和接收端的补偿关系、系统的零相位角工作条件、系统的谐波抑制能力和系统的安全稳定工作条件等因素的相互制约。在多参数和多约束条件下，常用的参数优化设计方法一般根据经验直接给定某些参数，再结合谐振关系确定其他参数；或通过求导得到连续可微函数的极值点，并以此作为衡量系统性能最优的解，进一步计算系统其他参数。上述方法计算过程复杂，求解效率低，往往只能得到局部最优解，并且不能用于处理离散函数优化问题，难以实现系统性能全局最优。因此，在所提出的耦合机构、补偿拓扑及参数设计方法的基础上，还需要结合系统的固有特性，对系统的优化方法进行研究，进一步提高系统综合性能。　　本文针对目前应用中几种典型耦合机构的EC-WPT系统，围绕不同电场耦合机构的耦合特性和补偿拓扑的参数谐振关系进行了研究。在此基础之上，重点围绕典型耦合机构的EC-WPT系统参数设计与优化方法展开研究。　　具体而言，本文主要做了以下研究工作：　　针对两对极板平行耦合式EC-WPT系统，为了在增大传输距离的同时减小补偿电感，将耦合机构等效电容考虑进谐振网络进行分析，提出了一种互补对称的LCC谐振式参数设计方法。针对参数设计方法求解系统最优解的局限性，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法的优化方法，对系统频率和并联谐振电容与耦合电容比值进行寻优，得到了一组能满足系统ZPA、低激励电压和小补偿电感的系统参数，并使系统在达到所需输出功率的条件下，传输效率最大。最后基于得到的参数进行仿真和实验验证，结果表明，本文所提出的参数设计与优化方法可以有效地指导EC-WPT系统在工程中的应用。　　针对四极板层叠耦合式EC-WPT系统，为了求解四极板层叠式耦合机构的交叉耦合电容，基于四极板的二端口电容网络模型和星-三角等效变换理论，建立了交叉耦合电容和端口电容的数学模型，提出了一种层叠式耦合机构交叉耦合电容的计算方法。针对一般参数设计方法难以得到全局最优解的问题，基于发射端和接收端单电感补偿拓扑，综合考虑系统多目标和多约束条件，提出了一种结合非支配排序和Kent映射的多目标优化方法，得到了系统性能的Pareto最优前沿和相应的解集。从解集中选择一组最优参数，建立了系统仿真模型和实验装置，验证了所提出的交叉耦合电容计算方法和系统优化方法的准确性和可行性。　　针对四套筒耦合式EC-WPT系统，围绕旋转机构的无线供电应用，通过对发射端套筒和接收端套筒的不同位置和耦合情况进行分析，提出了一种具有负耦合系数的套筒式耦合机构，给出了传输距离和内套筒重叠长度与外套管高度之比的变化对耦合系数的影响规律。针对漏电场辐射的安全性问题，提出了采用双侧LC补偿网络和半桥式逆变器构成的套筒耦合式EC-WPT系统，给出了具有正、负耦合系数的EC-WPT系统在相同输出功率和ZPA情况下的参数设计方法。通过MATLAB/Simulink和Maxwell仿真对比，验证了具有极小负耦合系数的EC-WPT系统的整体性能更佳。针对具有极小负耦合系数的系统，采用结合非支配排序和Kent映射的多目标优化方法对系统进一步优化，实现了系统性能全局最优。最后，搭建了EC-WPT系统实验装置，实验结果与仿真结果具有较好的一致性。　　针对改进层叠耦合式EC-WPT系统，围绕移动设备的无线供电应用，对四极板层叠式耦合机构和补偿结构进行分析与改进，通过将两块发射极板构成的耦合电容考虑进谐振网络，提出了一种LCL-L的补偿拓扑及其参数谐振关系。基于定频控制的EC-WPT系统，建立了EC-WPT系统接收端移除和移入两种模态下的交流阻抗模型，通过分析系统两种工作模态下的功率与效率约束关系，给出了低功耗模态下的约束条件，并给出了系统参数设计方法。最后，通过仿真和实验验证了所提出的拓扑结构和参数设计方法能使EC-WPT系统在接收端移除和移入过程中，不会对逆变器开关管造成电压、电流过冲；当接收端移入后，系统能够高效、稳定地为负载提供所需的功率；移除后，系统能自动进入低功耗待机状态。

目录

1 绪 论

1.2国内外研究现状分析

1.3论文主要研究内容

1.4论文的研究目的与意义

1.6本章小结

2 两对极板平行耦合式EC-WPT系统及其参数设计与优化

2.2对称LCC谐振网络的EC-WPT系统拓扑及工作原理

2.3.1建立系统状态空间模型

2.3.2参数变化对系统谐振工作点的影响

2.4EC-WPT 系统参数设计与优化

2.4.1系统参数设计方法

2.4.2系统约束条件

2.4.3系统非线性规划模型

2.4.4基于效率最优的改进自适应遗传算法

2.5仿真与实验验证

2.5.1仿真分析

2.5.2实验验证

2.6本章小结

3 四极板层叠耦合式EC-WPT系统及其参数设计与优化

3.2双侧单电感补偿的层叠式EC-WPT系统及工作原理

3.3.1层叠式耦合机构的端口电容和交叉耦合模型

3.3.2层叠式耦合机构的交叉耦合电容数学模型

3.3.3层叠式耦合机构端口电容变化规律

3.3.4系统电路拓扑及参数设计方法

3.4基于改进型NSGA-II算法的EC-WPT系统优化方法

3.4.1系统决策变量和目标函数

3.4.2系统约束条件

3.4.3系统NLP模型

3.4.4改进型NSGA-II算法流程

3.5仿真与实验验证

3.5.1仿真验证

3.5.2实验验证

3.6本章小结

4 四套筒耦合式EC-WPT系统及其参数设计与优化引言

4.2.1套筒式耦合机构

4.2.2耦合系数变化规律

4.3半桥式EC-WPT系统拓扑及工作原理

4.4EC-WPT 系统等效电路拓扑及参数设计方法

4.4.2正耦合系数系统电路参数设计方法

4.4.3负耦合系数系统电路参数设计方法

4.4.4参数设计流程

4.5仿真与实验验证

4.5.1参数确定

4.5.2仿真验证

4.5.3实验验证

4.5.4系统优化与仿真对比

4.6本章小结

5 改进层叠耦合式EC-WPT系统及其参数设计引言

5.2LCL-L补偿型 EC-WPT系统拓扑及工作原理

改进型层叠式耦合机构设计与分析

5.3.2耦合机构二端口网络与交叉耦合电容

5.4系统建模与参数设计方法

5.4.2接收端移入后的系统模型分析

5.4.3系统参数设计方法

5.5仿真与实验验证

5.5.1仿真验证

5.5.2实验验证

5.6本章小结

6 结论与展望

6.2论文的主要创新点

6.3后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请或授权的专利目录

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目目录

D 学位论文数据集

致谢