磁耦合谐振无线电能传输的线圈与发射电路优化

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1、分类号:TM72410710-2015232029专业硕士学位论文磁耦合谐振无线电能传输的线圈与发射电路优化赵鸿远导师姓名职称周熙炜副教授专业学位类别申请学位级别硕士交通运输工程及领域名称论文提交日期2018年4月9日论文答辩日期2018年6月5日学位授予单位长安大学OptimizationofcoilsandtransmitcircuitsforcoupledresonantradiopowertransmissionAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhaoHongYuanSupervisor：A.

2、P.ZhouXiWeiChang’anUniversity,Xi’an,China摘要无线供电技术（WirelessPowerTransmission，WPT）是电能输送领域的一个前沿课题，这一技术有效地克服了有线供电方式存在的设备移动灵活性差、供电线及触点暴露等问题，被誉为“10项引领未来的科学技术”之一。以传能介质及机理的不同，人们提出了三种电能无线传输方式：感应式、辐射式、耦合谐振式。其中，基于强耦合理论的谐振能量传输技术的特点是：利用磁场通过近场传输，方向性强，适合中等距离传输；并具有较高传输效率，能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响；磁辐射水平不高并

3、易于抑制等特点。这一技术在载运工具与交通运输工程领域也具有重要的应用价值和前景。本文以基于磁耦合谐振的WPT技术为选题，首先运用ANSYS有限元软件，对耦合线圈的气隙距离、线圈半径，线径以及线圈匝数等参数变化后的耦合因数进行分析；以带铁芯和不带铁芯的螺线管型线圈耦合为对象，进行网格划分，得出了磁力线分布图和磁感应强度云图等仿真结果，为线圈的设计提供优化依据。其次，本文从WPT系统的总体结构出发，分析了系统的组成及工作原理。以发射电路为研究重点，常用的发射电路是LCC型谐振发射电路，高频全桥逆变器是发射部分的一个关键环节。尽管初级线圈电压可以由有源前端变换器的控

4、制来改变直流干线电压而完成，但更直接方法是通过高频逆变器控制传输到次级线圈的电量，而高频逆变器主电路MOSFET的器件死区会引起输出电流波形的交越失真，使WPT系统的传输损耗增加。对此，本文采用了一种基于脉冲宽度调整的方法实现死区补偿以适应WPT系统的要求，并进行了仿真研究和分析。第三，通过前文的分析可知，谐振网络线圈中的高频交流电由发射端逆变器产生。在大部分的逆变器拓扑中，为了产生一定频率的谐振电流，逆变器中开关管的频率高达数百KHz，并随着系统谐振频率的升高而升高。这样开关管的开关损耗增大，若超过传输损耗，将导致系统传输效率的降低。为了缓解这一问题，本文设

5、计了一种基于AC/AC脉冲注入型的WPT系统发射电路逆变器拓扑。这一方案可以显著降低逆变器的开关频率，将注入WPT系统的能量与开关频率和负载状况解耦。最后，本文设计了以高频全桥逆变器为发射电路的磁耦合谐振WPT系统实验，以iLED灯为对象，实现了电能的无线接收。对于脉冲注入型的WPT系统发射电路拓扑，本文用SIMULINK仿真工具，分析该电路每步骤下输入输出电流电压波形及各元器件的电流电压波形情况，证实了该拓扑的可行性，这一发射电路有着很强的工程应用前景。关键词：无线电能传输，磁耦合谐振，ANSYS有限元分析，死区补偿，脉冲注入iiAbstractWirele

6、sspowersupplytechnologyisafrontiertopicinthefieldofpowertransmission.Thistechnologyhaseffectivelyovercometheproblemsofpoormobilityofequipmentandexposureofpowersupplylinesandcontacts.Itisknownasoneofthe"10sciencetechnologiesleadingtothefuture".Intermsofenergytransfermediumandmechanis

7、m,threetypesofelectricenergywirelesstransmissionmodesareproposed:induction,radiationandcouplingresonance.Thecharacteristicsoftheresonantenergytransmissiontechnologybasedonthestrongcouplingtheoryarethatthemagneticfieldistransmittedthroughthenearfieldwithastrongdirectionandsuitablefor

8、mediumdistancetrans