基于互感在线估计的双拾取动态无线电能传输系统控制方法研究

摘要

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统利用磁场耦合方式来实现电能的非接触传输，以其电能传输适应性强、便捷灵活、安全美观等优点有效克服了传统接触供电方式存在的机械磨损及漏电等问题，目前已广泛应用于电动汽车充电、医疗电子设备充电以及消费电子设备等领域。　　静态WPT技术利用容量有限的储能电池供电，因而存在诸多如充电时间长、续航短和电池组笨重等问题。而对于动态无线电能传输(dynamic wireless power transfer， DWPT)技术来说，其利用铺设的发射线圈轨道对车辆进行动态供电，使得停车充电的时间和次数减少，在提高车辆续航里程的同时减轻了车载电池重量。目前DWPT技术已经逐渐成为交通和能源领域关注的焦点。　　为保证DWPT系统具有较高的传输稳定性和充电效率，论文一方面对系统的磁耦合机构进行优化来提高传输耦合系数，进而保证传输效率；另一方面采用互感在线估计的闭环控制方法对系统进行跟踪控制来提高系统传输稳定性。　　首先对无线电能传输系统的组成结构进行了介绍，在对不同组成结构进行特定计算和分析后确定了电路结构，进而将LCC补偿结构用于原边，使得发射线圈产生恒定的电流，该特性可以在拾取移动过程中为其提供稳定的磁场，副边采用S补偿结构可以避免DWPT系统在原副边之间互感与负载属性出现波动时谐振条件不受其影响。在确定了原副边补偿方式后进一步对系统磁耦合机构进行分析，原边采用能够实现更大偏移容忍度的DD型线圈结构，副边采用相互解耦的BP型线圈结构。在建立了系统的耦合机构传输模型后，进一步确定了基于LCC-S型补偿结构的电路模型，分析了系统的输出电压和功率，得到原副边两互感在线估计的方法，再通过交流等效电阻比β与两个占空比D1、D2的关系来实现控制负载电压和系统效率占空比的估计，最终得到不同状态下的两个最优占空比对系统进行直接控制。与传统PI闭环控制暂态过程较长相比，互感估计闭环控制方式在控制速度上具有一定优势。　　实验结果表明，在两个拾取最优占空比的直接闭环控制下，能够同时实现输出电压与效率控制，利用搭建的500W输出系统验证了动态移动时负载侧输出电压的恒定，输出电压的波动率为±0.988%，系统最高效率达93.18%。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 耦合机构和补偿拓扑的研究现状

1.2.2 WPT系统输出稳定性的控制策略研究现状

1.3 论文主要工作

1.3.1 研究对象和目标

1.3.2 论文主要内容

1.3.3 本章小结

第 2 章无线电能传输系统的结构组成

2.1 引言

2.2 WPT系统的基本结构

2.2.1 高频逆变电路

2.2.2 电磁耦合结构

2.2.3 整流电路

2.2.4 DC-DC 变换电路

2.3.1 四种典型补偿电路

2.3.2 LCC型补偿电路

2.4 本章小结

第 3 章 DWPT 系统的耦合机构和电路结构

3.1 引言

3.2 DWPT 系统的耦合机构

3.2.1 线圈结构

3.2.2 导轨供电模式

3.2.3 单发射双拾取耦合机构

3.3 DWPT 系统的模型建立与推导

3.3.1 LCC-S 型 DWPT 系统电路拓扑的分析

3.3.2 系统输出电压和输出功率分析

3.3.3 系统效率分析

3.4 本章小结

第 4 章 DWPT 系统的输出稳定性控制策略

4.1 引言

4.2 DWPT 系统输出稳定性控制策略

4.2.1 互感在线估计方法

4.2.2 控制方法

4.3 Boost电路模型和控制原理

4.3.1 电路模型

4.3.2 Boost 电路控制原理

4.4 实验验证

4.4.1 实验装置和参数

4.4.2 实验结果和分析

4.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果