中小功率感应耦合谐振无线充电装置研究

摘要

中小功率感应耦合谐振无线充电装置以非接触方式为用电设备提供所需电能，无论是在家用电器还是在电动汽车充电方面都有其广泛应用场合，相比于有线供电的方式更加安全便捷。
　　本文首先针对目前无线充电方面广泛应用的LCL拓扑结构分析了其各元件在正常工况下的电压电流关系，并分析了三种异常工况下元件的电压电流关系，结合不同工况下两侧并联补偿电容电压相量表达式，给出了上述几种情况下元件电压值的异同点用于后续电压检测和保护，分析了影响松耦合变压器功率线圈传输效率的因素，得到含功率线圈内阻互感比的线圈传输效率表达式，做出其效率在90％以上的阻感比随效率变化曲线，根据松耦合变压器传输功率表达式，分析了影响传输功率的四个因素，利用空心松耦合变压器自感理论计算公式预测在给定传输功率和效率下线圈的最优尺寸，对比分析了方形和双D形线圈在不同距离下的横向偏移特性，测量了两种线圈交流内阻随频率的变化关系，并根据以上理论分析给出了中小功率感应耦合谐振无线充电装置的设计思路。
　　最终，根据上述理论分析结果，设计了满足需求的松耦合变压器，根据穿透深度合理选择了变压器电导体单股导线线径，并对谐振电路各个元件电压电流峰值进行理论计算，设计了高频逆变电路、电压电流检测电路、开关管驱动电路、高频整流电路等，搭建了3700W无线电能传输系统平台，对输出不同功率下的效率进行实验，当输入逆变器电压为400V，输出电压为300V，传输距离20cm，无横向偏移，负载为25Ω时装置整体效率为91.25％。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文的研究背景、目的及意义

1．2 无线充电技术研究现状及发展趋势

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 商业化应用现状

1．2．4 技术发展趋势

1．3 本文研究内容

2 感应耦合谐振无线充电系统拓扑分析

2．1 无线能量传输系统组成

2．2 LCL无线能量传输系统拓扑

2．3 正常工况下电路理论分析

2．4 异常工况下电路理论分析

2．4．1 副边线圈缺失工况分析

2．4．2 负载开路工况分析

2．4．3 负载短路工况分析

2．5 本章小结

3 无线充电装置松耦合变压器优化设计

3．1 松耦合变压器功率线圈参数对传输效率影响分析

3．2 松耦合变压器功率线圈参数对传输功率影响分析

3．3 松耦合空心变压器线圈自感理论计算

3．4 松耦合变压器功率线圈互感测试方法

3．5 松耦合空心变压器互感理论计算

3．6 本章小结

4 中小功率无线充电装置硬件设计

4．1 系统设计参数及步骤

4．2 功率线圈和谐振补偿线圈自感和电导体设计

4．2．1 谐振补偿线圈电感量设计

4．2．2 功率线圈电感量设计

4．2．3 功率线圈及谐振补偿线圈电导体设计

4．2．4 谐振补偿线圈设计

4．2．5 功率线圈设计

4．2．6 功率线圈测试

4．3 串联补偿电容和并联补偿电容设计

4．3．1 串联补偿电容设计

4．3．2 并联补偿电容设计

4．4 功率开关管选型设计

4．4．1 功率开关管参数计算

4．4．2 功率开关管损耗计算

4．4．3 功率开关管驱动功率计算及驱动电阻选择

4．5 电路原理图设计

4．5．1 无源逆变电路设计

4．5．2 缓冲电路设计

4．5．3 驱动电路设计

4．5．4 高频整流电路器件选型及损耗计算

4．5．5 电压电流检测电路设计

4．5．6 调理及保护电路设计

4．6 控制电路软件设计

4．7 含铁氧体松耦合变压器元件参数及运行参数

4．8 本章小结

5 实验装置设计及结果分析

5．1 系统在不同功率等级下实验分析

5．1．1 系统满功率传输下电压电流及驱动波形

5．1．2 不同功率等级下系统传输效率实验

5．1．3 不同功率等级下谐振网络元件耐压实验

5．2 松耦合变压器不同传输距离下传输功率与效率测试

5．3 松耦合变压器最大传输距离下横向偏移实验测试

5．3．1 X方向偏移实验测试

5．3．2 Y方向偏移实验测试

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 本文的主要工作及结论

6．2 未来研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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