电磁感应式无线能量传输系统的设计与控制研究.pdf

摘要 近年来电子信息技术发展迅速，便捷且安全的充电方式成为当前研究的重点。无 线能量传输技术将电能通过气隙传输给负载或电池，避免了传统电力传输插拔环节的 磨损和导线的漏电触电等危险，更加安全和灵活。电磁感应式无线能量传输的传输功 率大、系统效率高，适用于近距离无线充电，并已经逐渐应用于电动汽车、消费电子、 工业家居等众多领域，具有可观的发展前景和十分重要的研究意义。 本文基于电磁感应原理，进行拓扑分析与线圈设计，研制出一套无线能量传输系 统，使其能够高效安全地为负载或电池进行无线充电。本文首先分析了无线能量传输 系统的互感和漏感模型并对电路进行简化，确定无线能量传输系统的组成部分与各个 环节对系统传输效率的影响，明确各个关键参数对系统的作用。接着分析了四种传统 补偿结构的特点与不足，对补偿电容的设计与传输功率效率进行对比，提出性能更优 的双边LCC 补偿结构，通过matlab 分析输出电流和电压随耦合系数与负载的变化情 况。接着设计了适用于高频率、大功率条件下耦合线圈的材料与缠绕方式，通过 maxwell 分析线圈磁场分布情况，分析对线圈互感和自感变化的影响因素，选择性能 良好的屏蔽材料对磁场进行定向约束。然后设计了无线能量传输系统的工作流程使系 统能够安全正常工作，实现了系统实时监测与先恒流再恒压的调频控制。 最后，根据理论分析进行参数设计与simulink 模型的建立，通过电路仿真得到无 线能量传输系统恒流和恒压频率。当系统输入电压为20V 时，在谐振点82kHz 处的 最大输出功率为27.62W，传输效率达到70.11%。搭建实验平台，验证了不同纵向距 离和横向错位距离时线圈互感值的变化趋势，其实验结果与理论分析趋势一致。通过 改变负载阻值大小与恒流恒压频率，在原副边线圈距离 6cm 处模拟了电池充电过程 中先恒流再恒压的控制方式。 关键词：无线能量传输，拓扑结构，线圈设计，恒流恒压控制 I 目录 1 绪论 1 1.1 研究背景和意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国外研究现状2 1.2.2 国内研究现状5 1.3 无线能量传输的应用6 1.3.1 无线能量传输的一般应用6 1.3.2 无线能量传输在电动汽车中的应用7 1.4 本文主要研究内容12 1.4.1 无线能量传输系统的基本原理与组成13 1.4.2 无线能量传输系统的拓扑分析13 1.4.3 无线能量传输系统线圈的设计与选择14 1.4.4 无线能量传输系统功能与控制策略14 2 无线能量传输系统的原理与构成15 2.1 电磁感应式耦合理论分析15 2.1.1 松耦合理论15 2.1.2 互感理论模型16 2.1.3 漏感理论 17 2.2 无线能量传输系统基本组成19 2.2.1 系统组成 19 2.2.2 系统传输效率20 2.2.3 关键参数 21 2.3 本章小结 22 3 无线能量传输系统的拓扑分析与设计24 3.1 补偿网络拓扑分析24 3.1.1 四种基本补偿拓扑模型24 3.1.2 LCC 补偿电路拓扑模型33 3.2 无线能量传输系统的设计44 3.2.1 线圈设计与仿真44 3.2.2 线圈自感与互感计算48 3.2.3 电磁屏蔽设计52 3.3 本章小结 54 IV 4 无线能量传输系统的功能与控制55 4.1 无线能量传输系统运行流程图55 4.2 无线能量传输系统软件功能56 4.2.1 原副边通信56 4.2.2 电压电流采集58 4.2.3 故障处理 59 4.2.4 人机交互触摸屏60 4.3 无线能量传输系统的控制方式61 4.3.1 恒流恒压充电控制61 4.3.2 PID 反馈闭环控制64 4.3.3 模型预测控制66 4.3.4 调PWM 占空比控制69 4.3.5 软开关控制71 4.4 本章小结 72 5 无线能量传输系统仿真与实验74 5.1 系统参