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基于包络线调制的非接触电能传输模式研究

王智慧  
【摘要】: 在非接触电能传输系统中,传统的电能传输模式存在整体效率低、控制复杂、输入功率因数低、功率密度小、成本较高等缺点,在很大程度上限制了非接触电能传输技术的推广和应用。本文以国家自然科学基金项目为依托,针对传统传输模式存在的问题,旨在提出一种基于包络线调制机理的能量传输模式,并围绕该模式对几种典型非接触电能传输系统结构进行研究,提出相应结构下的新型电路拓扑及控制方式。本文主要进行了以下几个方面的研究工作: 1.分析了传统供电方式存在的不足和非接触电能传输技术研究的必要性,并综述了国内外理论研究和产业化现状。分析了传统非接触电能传输模式存在的问题,阐明了本文的研究目的、内容和意义。 2.提出了基于包络线调制机理的非接触电能传输模式,该模式以负载电能形式为目标,采用载波调制技术,实现电能变换与传输。论文系统分析研究了该模式机理、系统基本框架及相关关键技术,并以全桥串联谐振电路为例从理论上研究了包络线调制传输模式的可行性;对比分析了该模式的优点。 3.分析了采用传统传输模式的AC-AC型非接触电能传输系统存在的缺点,研究了包络线调制传输模式下的系统结构。提出了一种新型AC-DC-AC变换拓扑,对采用该拓扑的AC-AC型非接触电能传输系统的初级回路和次级回路的工作模态进行了分析,研究给出了该拓扑实现软开关的条件和系统动态解析模型。对该拓扑进行了仿真分析和实验验证。 4.分析了传统传输模式下DC-AC型非接触电能传输系统存在的缺点,并提出了基于包络线调制模式的系统结构,简化了系统电路拓扑和控制方式,提升了系统整体效率和系统功率密度。以不对称DC-AC拓扑为例,研究了该结构实现包络线调制的方式,并利用状态空间法建立了系统的稳态模型,进行了仿真分析和实验验证。 5.提出了基于包络线调制传输模式的AC-DC型非接触电能传输系统结构,给出了一种适用于该结构的能量注入式AC-AC变换拓扑,分析了该拓扑的系统特性。提出了能量临界平衡的判定方法、包络线预估方法及相应的最优控制策略,并进行了仿真分析和实验验证。 6.提出了一种新的电流型CPT系统电路拓扑,以实现输入电压及系统耦合参数不变时包络线的宽范围调幅。建立了该系统的稳态等效模型,并在此基础上推导出了系统控制特性和关键参数的计算方法,并进行了仿真分析和实验验证,为系统的设计与分析提供了理论依据。 本论文的主要创新性贡献在于: 1.提出了一种基于包络线调制机理的非接触电能传输模式。该模式面向负载电能形式需求,采用电能载波与调制技术,实现非接触电能传输。解决了传统传输模式下系统功率因数低、功率密度不高等问题,提高了系统效率,拓展了非接触电能传输技术的应用领域。 2.基于Buck和Boost思路,结合电流型CPT系统的特点提出了一种能够灵活控制系统传输功率的变换拓扑,实现了包络线幅值的宽范围调节,大大提高了负载适应能力。该拓扑可以推广到一般的电能变换应用中。 3.提出了一种谐振能量控制策略,通过实时调节谐振回路能量注入模式,实现AC-AC高频变换拓扑的恒幅包络线调制。该策略可推广应用于其它类型包络线的调制。


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