无线电能传输系统多发射线圈结构设计及其切换控制

摘要

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）相比传统导线式电能传输具有诸多的优点，因而近年来引起了国内外学者与厂商的广泛关注。传输效率是衡量WPT系统的重要指标，其中线圈偏移问题是影响 WPT系统传输效率的关键因素之一。线圈偏移在各种应用场合中时常发生，现有研究结果表明，当线圈间存在较大偏移时，即使系统处于谐振和最佳阻抗匹配状态，其传输效率仍处于较低水平。此外，传统的线圈结构固定，不便自适应调整工作区域，线圈偏移下提升系统传输效率的能力有限，因此从线圈结构设计的角度来提升WPT系统的传输效率具有重要意义。
　　为降低线圈偏移问题对系统传输效率的影响，本文基于仿生学原理提出了一种多发射线圈可切换式无线电能传输（Multi-transmit Coils Switchable Wireless Power Transfer, MCS-WPT）结构。其中发射端由13个类似于乌龟壳纹路的六边形线圈组成，可组合形成3个位置不同的发射区域，通过切换控制来减少接收线圈相对发射线圈的位置偏移量，从而提高线圈间互感的大小，仿真分析与实验结果都验证了该线圈结构的有效性，提高了WPT系统的传输效率。
　　本文所做的主要研究工作如下：
　　（1） MCS-WPT系统线圈结构设计及其偏移特性研究。首先论述了MCS-WPT系统的发射端线圈组合结构与补偿方式以及接收端线圈的结构与补偿方式。然后分析了线圈偏移对MCS-WPT系统的互感、发射端电流以及传输效率的影响。
　　（2）提出了MCS-WPT系统线圈控制策略。首先简要介绍了逆变器的双极性控制方法，然后重点论述了线圈的逻辑结构与位置识别方法，并制定了线圈切换控制的规则。最后通过仿真论证了切换发射线圈的工作区域对提升传输效率的可行性。
　　（3）研制了MCS-WPT样机并进行了实验验证。首先从硬件设计与软件设计两方面阐述了MCS-WPT样机设计过程。然后通过位置识别方法实验与切换控制实验验证了位置识别方法的有效性以及线圈偏移时 MCS-WPT系统对提升传输效率的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2 线圈结构设计的研究现状

1.3 本文的研究意义与创新性

1.4 本文的组织结构与研究内容

1.5 本章小结

第2章 线圈偏移下磁耦合无线电能传输机理分析

2.1 引言

2.2 系统构成与建模分析

2.3 线圈偏移对互感的影响

2.4 线圈偏移对传输效率的影响

2.5 本章小结

第3章 MCS-WPT线圈结构与偏移特性分析

3.1 引言

3.2 线圈结构

3.3 偏移特性分析

3.5 本章小结

第4章 MCS-WPT线圈切换控制策略

4.1 引言

4.2 MCS-WPT系统组成

4.3 逻辑分析

4.4 位置识别

4.5 切换控制规则

4.6 本章小结

第5章 MCS-WPT系统实验样机与验证

5.1 引言

5.2 系统硬件设计

5.3 系统软件设计

5.4 位置识别方法验证

5.5 切换控制实验验证

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文的主要工作内容总结

6.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果