基于等效传输线电路模型的恒输出MCR-WPT系统研究

作     者：冯群群 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗斌

授予年度：2024年

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

主      题：磁耦合谐振式无线电能传输技术 恒流 恒压 等效传输线电路模型 

摘      要：无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT),通过发射侧将电能转换为中继能量并隔空传输,再由接收侧将中继能量转换为电能,实现电能无线传递。磁耦合谐振式无线电能传输技术(MCR-WPT)作为WPT领域中成熟的技术之一,正在迅速发展,并广泛应用于医疗、消费电子、交通运输等多个领域。目前多数电子设备使用多循环的锂电池作为储能器件,而锂电池广泛采用两段式充电:第一阶段为恒流(Constant Current,CC)充电,第二阶段为恒压(Constant Voltage,CV)充电,且电池的等效电阻在充电过程中是不断变化的。 为实现无线充电系统从CC模式自动切换到CV模式,保证锂电池平稳充电,主要有三种方法:变频控制、调节主变换器或二次变换器占空比、拓扑切换。然而,这些方案需要广泛的输入调制技术和复杂的控制电路,或者需要发射端和接收端进行无线通信,影响系统稳定性。此外,现有研究主要集中在特定拓扑结构上,缺乏通用性,不易推广至其它混合拓扑结构设计。因此,本文针对实现CC-CV输出方法的局限性,受等效传输线理论的启发,提出了一种直观、简便、统一的电路拓扑结构设计方法,并给出了一种可靠性高的紧凑型三线圈耦合结构。所提出的系统无需发射端与接收端之间通信,增强了系统稳定性。本文主要研究内容如下: 首先,本文介绍了当前常用的WPT技术,并对每种技术的优缺点以及适用范围进行比较总结;对磁耦合机构、补偿电路拓扑、恒流恒压切换策略等三种关键技术的研究现状进行阐述。以串-串(S-S)型谐振拓扑为例,分别对三种MCR-WPT系统建模进行了介绍,对比分析了四种基本拓扑结构的优缺点;介绍了MCR-WPT系统常用的两大基本准则;探究了系统传输特性的影响因素。 其次,针对现有研究方法的局限性,从等效传输线的角度引入新的分析方法,提出了一种等效传输线电路模型,该方法简化了设计过程,提高了恒流恒压自切换电路拓扑的可重用性。给出了三线圈耦合机构的详细设计指南;利用该模型推导了理想和有损条件下的系统传输效率和恒定输出的表达式;提出一种新型三线圈共面耦合机构,所有绕组均共面放置,从而节省了空间。该设计具有更高的可靠性和安全性,当负载移除、开路或短路时,发射器线圈不易损坏。 最后,基于理论分析,给出参数设计流程;通过仿真探究补偿元器件参数的精确度、互感大小以及内阻损耗对系统传输特性的影响。根据等效传输线电路模型设计,搭建了两种耦合结构的实验平台,在误差允许的范围内,实验结果与理论分析、仿真结果一致。实验结果表明,所提出MCR-WPT系统满足锂电池充电特性,能够在5Ω至100Ω的等效负载变化范围内保持稳定的恒流或恒压输出,并实现高效的无线电能传输。仿真分析与实验结果证明了基于等效传输线电路模型的无线充电系统的可行性和可靠性。