超级电容缓冲式移动设备动态无线充电系统研究

摘要

移动设备供电、能量存储已成为解决能源危机、减轻环境污染、提高生活生产质量的关键。目前，电动汽车等移动设备的动力来源主要为电池，然而，现有电池和充电技术的缺点如续航能力弱、电池寿命短、充电时间长、充电效率低制约了移动设备的发展。超级电容（Super Capacitor）由于其充放电功率大、循环寿命长等优点有望在未来取代电池在能量存储上的霸主地位。
　　随着电力电子技术和半导体器件的快速发展，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术得到广泛研究和应用。WPT无需线缆就可以实现电能的传输，具有传输效率高、传输功率大、传输距离较远、受电设备移动灵活等优点，非常适合应用在移动设备的充电场合。动态无线充电（Dynamic Wireless Charging，DWC）技术是以电磁感应WPT为原理的一门新兴技术，利用DWC技术，能实现移动设备在供电轨道线圈区域运动时，可以通过电磁感应动态获取电能，从而在一定程度上解决了电池使用寿命短、续航能力弱、充电等待时间长等缺点。
　　超级电容的发明、WPT技术的成熟应用为解决能量存储和移动设备供电问题带来了希望。本文主要从以下几个方面展开对DWC的研究：
　　①对DWC系统进行初步设计。通过对比分析，结合DWC工作特点，确定系统充电回路的基本结构。为了在运动过程中最大限度地拾取电能，避免在拾取端引入控制，将超级电容（Super Capacitor）作为系统的负载，起到能量缓存作用。
　　②利用拉普拉斯相量变换，分析拾取端启动充电的过程，得到了超级电容负载DWC系统拾取端线圈电流变化过程的动态模型。通过理论分析和仿真对比对模型进行验证。
　　③利用机理建模方法对移动设备在供电轨道上运动充电过程进行建模，获得了系统的双输入双输出传递函数模型。通过分析得到了系统解耦条件，以及在解耦条件下线圈电流的复频域表达式。最后研究了输入电压变化时软开关工作频率、谐振电流、系统效率、功率等变化趋势。
　　④对DWC系统功率电路以及信号电路进行设计。提出了利用分段滞环PWM控制方法实现轨道电流的控制。对谐振变换器实现零电压开关（ZVS）的条件、以及ZVS失败条件进行了分析。搭建实验装置，通过实验手段验证理论分析和仿真的正确性。

目录

1 绪论

1.1论文研究背景

1.2动态无线充电国内外研究现状分析

1.3论文的研究目的及意义

1.4论文的组织结构与主要研究内容

2 动态无线充电系统设计

2.1引言

2.2系统结构

2.3耦合机构设计

2.4基于电磁感应的移动设备位置检测

2.5基于buck变换器的功率调节

2.6超级电容阵列负载

2.7本章小结

3 超级电容缓冲式动态无线充电系统特性分析

3.1引言

3.2动态无线充电系统充电启动过程特性分析

3.3运动充电过程建模

3.4本章小结

4 动态无线充电系统实现

4.1引言

4.2动态无线充电系统概览

4.3 Buck变换器主电路设计

4.4谐振逆变器主电路设计

4.5信号通道电路设计

4.6轨道线圈谐振电流控制

4.7谐振逆变器软开关控制

4.8实验验证

4.9本章小结

5 总结与展望

5.1全文工作总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间参与科研

B. 作者在攻读学位期间获得奖励及荣誉