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无线电能传输系统LLC型复合谐振模式研究

邱宁  
【摘要】:无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术,是一种使用电磁场为传能媒介,从而实现电能在空间上无线传输的技术。它植根于控制技术、电力技术和电子技术这三门技术领域,一直受到研究者的密切关注。通过WPT技术能避免用电设备和供电端的电气接触,确保了供电体系的稳定性和安全性。在磁场型WPT系统中,处于松耦合状态的发射线圈和接收线圈实现了能量的传递,加之补偿电路的存在,整个系统是一个复杂的高阶非线性系统。为了提高系统的传能能力,需确保系统运行在高频条件下,此时系统对频率变化十分敏感。实际应用中,线圈相对移动导致的互感变化和负载变化都可能对系统的谐振匹配造成影响,从而导致谐振频率的漂移等问题,这对电路的功率传输等级和效率都有十分严重的影响。如何通过控制和电路方式解决系统对互感和负载变化的频率敏感性,提升工作频率的稳定度十分具有研究价值。本文针对于此提出了在系统中采用LLC复合谐振电路的方法。本文围绕WPT系统中补偿电路的研究,主要做了以下的工作:(1)介绍了WPT系统中谐振补偿电路的作用,介绍了基本的谐振拓扑,并分析了已有拓扑的一些特点,然后提出了应该采用的复合谐振拓扑模式,并提出采用LLC复合谐振拓扑这一方案。(2)提出了一种具有双边LLC复合谐振结构的WPT系统,详细分析了其谐振条件及相应的证明过程。用阻抗模型对系统进行了详细的分析,得到了系统所具有的特性,并推导出了相应的输出表达和功率表示。(3)针对双边LLC结构过于复杂这一缺点,提出了S-LLC型简化拓扑,从阻抗模型验证了该拓扑依旧具有双边LLC系统具有的频率特性,并推导了此时的系统输出表达,并提出了一种可运用于该系统的移相控制方式。(4)对LLC复合谐振拓扑引入后的系统参数设计与优化进行了概括的分析,说明了并联电感Lm和负载取值在非理想参数条件下对系统性能的影响,并给出了一个比较合理的参数取值范围。(5)根据分析的S-LLC系统的输出特性和控制进行了仿真和实验来验证相关理论推导特性。


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