恒压型无线电能传输系统研究与实现

作     者：王绪宁 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲延滨

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：无线电能传输 补偿拓扑 松耦合变压器 闭环控制 恒压输出 

摘      要：相比于传统有线供电方式,无线电能传输（WPT）技术具有更好的便捷性和安全性,能够适应更加复杂的外部环境,近年来得到了广泛的应用和发展。但目前的WPT系统仍存在输出功率不稳定,输出电压电流控制难度大的问题。针对上述问题,本文提出了一套输出稳定的恒压无线供电装置。本文首先介绍了WPT系统的基本组成结构和工作原理,利用电路理论建立传统补偿拓扑和松耦合变压器等效模型,并分析了传统补偿拓扑的传输特性。通过将LC补偿拓扑与传统S补偿拓扑相结合,提出了新型LC-S补偿拓扑,该补偿网络通过参数配置能够实现恒压输入-恒压输出的传输特性。通过Pspice电路仿真软件对比传统补偿拓扑与LC-S补偿拓扑的传输特性,分析工作环境变化对不同补偿拓扑输出特性的影响。其次,为增强系统传输能力,提高WPT系统输出功率稳定性,本文建立了松耦合变压器能量传输模型,对传输性能和磁路特性进行理论建模分析,确定了线圈优化设计方向。利用Maxwell仿真软件分析线圈结构参数对松耦合变压器耦合能力的影响,设计了WPT系统的线圈结构。为提高系统功率密度,提出一种新型磁芯结构,降低了松耦合变压器的体积重量,提高了系统耦合能力。然后,针对系统指标要求,制定恒压型无线供电装置整体设计方案。设计系统主电路及外围硬件电路并对主要元器件进行优化选型。在WPT系统接收端添加同步Buck电路,确定同步Buck电路主要参数并对相应元器件进行优化选型。采用PI调节方式设计闭环控制器,实现对WPT系统的闭环控制,维持系统输出电压稳定。最后,根据理论分析及仿真实验设计制作松耦合变压器,并确定LC-S补偿网络参数,利用Altium Designer绘制电路板,完成恒压型无线供电装置样机研制。通过变频实验、垂直偏移实验、水平偏移实验及变负载实验,分析所设计的恒压型无线供电装置样机的传输特性,实验分析结果验证了本课题理论分析及仿真研究的正确性和合理性。所设计的恒压型无线供电装置实验样机在40mm-60mm的传输距离下实现280V恒压输出,最大输出功率为1k W,最高传输效率为79%。