基于变结构和变频率的IPT恒流恒压无线电能传输系统研究

摘要

近年来，无线电能传输技术因具备较强的环境适应能力、操作安全等优点，已成为国内外学者的研究重点。目前储能电池无线充电通常采用恒流(Constant Current, CC)与恒压(Constant Voltage, CV)充电相结合的方式，可以有效避免恒流过充以及恒压欠充，其中又以感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer, IPT)技术为主的充电方式研究最多。为了快速、稳定地从恒流输出模式切换到恒压输出模式，往往需要原、副边之间的通信以及原边复杂控制方法的引入或者在副边增加直流变换电路，这无疑会增加控制难度以及系统体积。针对这一问题，本文从恒流恒压混合补偿拓扑设计出发，通过改变系统结构或者系统工作频率实现IPT系统的恒流恒压切换充电。　　为了降低感应式无线充电系统反馈控制的复杂性，保证电池等效负载变化时IPT系统能够切换输出稳定的电流和电压。本文首先分析了串-串(Series-Series, SS)和串-串并(Series/Series-Parallel, S/SP)两种补偿拓扑电路的输出电流电压特性，得出SS和S/SP两种补偿拓扑电路在一定条件下均具有恒流和恒压输出特性。　　然后，在S/SP补偿拓扑电路输出特性基础上，提出基于副边变结构实现恒流恒压充电的IPT系统。在S/SP补偿拓扑电路的副边增加一个交流开关和一个附加电容，通过切换交流开关的关断改变副边电路结构，从而改变副边串联等效补偿电容，实现IPT系统的恒流恒压切换充电。设计并搭建了充电电流为2A充电电压为100V的实验原理样机验证所提方法的正确性。实验结果表明，通过改变系统结构可以实现IPT系统恒流恒压的切换充电。　　最后，在SS补偿拓扑电路输出特性基础上，提出基于变结构和变频率实现恒流恒压可配置充电的IPT系统。提出的IPT系统可以在两种不同的工作频率下以CC和CV两种不同的负载模式运行，并具有相应的补偿电容值。同时，在原边电路增加交流开关和相应的补偿电容，通过选择交流开关改变系统结构并改变系统工作频率实现IPT系统的恒流恒压可配置充电，满足对不同规格的电池进行充电；设计并搭建了48V/3A和60V/4A两种额定值的实验原理样机验证所提方法的可行性。实验结果表明，通过改变系统结构和工作频率可以实现恒流恒压的可配置充电。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 采用复杂的控制方法

1.2.2 采用补偿拓扑方式

1.3 论文主要工作

1.3.1 研究对象和目标

1.3.2 论文主要工作

1.3.3 论文章节安排

第 2 章 IPT 系统补偿拓扑电路的特性分析

2.1 引言

2.2 SS 补偿拓扑特性分析

2.2.1 SS补偿拓扑恒流输出

2.2.2 SS补偿拓扑恒压输出

2.3 S/SP补偿拓扑特性分析

2.3.1 S/SP补偿拓扑恒流输出

2.3.2 S/SP补偿拓扑恒压输出

2.4 本章小结

第 3 章基于副边变结构实现恒流恒压充电的IPT系统研究

3.1 引言

3.2 理论分析

3.2.1 恒流模式

3.2.2 恒压模式

3.3 系统参数设计

3.3.1 电路参数设计

3.3.2 耦合机构设计

3.4实验验证

3.4.1 实验系统设计

3.4.2 实验结果分析

3.5 本章小结

第 4 章基于变结构和变频率实现恒流恒压可配置充电的IPT系统研究

4.1 引言

4.2 理论分析

4.2.1 恒流模式

4.2.2 恒压模式

4.3 系统设计

4.3.1 电路参数设计

4.3.2 控制方法

4.4 实验验证

4.4.1 实验系统设计

4.4.2 实验结果

4.4.3 与其他方法的比较

4.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果