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基于动态相量法的无线电能传输系统建模与控制研究

Modeling and Control Research on Wireless Power Transfer System based on Dynamic Phasor Method

【作 者】陶维

【摘 要】

无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术能够实现无电气接触情况下,电能从发射源到用电设备的传输,这种技术可以克服传统电缆连接供电方式导致的接触不良、接触火花,线缆多操作不便等缺陷,提高了供用电的安全性和便利性。无线电能传输技术在消费电子设备,新能源汽车,轨道交通装备,机器人,医疗设备等领域有着广泛的应用前景,在 2014 年,美国《时代》周刊将无线电能传输技术评选为年度最有影响力的发明之一。另外,世界经济论坛将无线电能传输技术评为对世界影响最大,最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术。在无线电能传输技术的几个技术分支中,磁耦合感应式无线电能传输(Magnetic Coupling Inductive Wireless Power TransferMCI-WPT)技术由于其传输功率大,传输效率较高,设备灵活性强,电磁辐射小和抗干扰能力强等特性,成为无线电能传输技术领域的研究热点,有着较好的应用前景和较多的应用场景,这其中,电动汽车的无线充电是目前发展最为迅速的领域,无线充电技术给电动汽车充电带来的便利性、灵活性和安全性,使人们对电动汽车的认可度大大增强,加速了电动汽车的在市场上的普及,对我们国家环境保护,减少碳排放,实现在汽车技术领域的弯道超车具有一定的重要意义。

MCI-WPT 系统由于通过空气等介质进行磁耦合,没有任何电介质接触,是一种松耦合系统,这种松耦合特性使得 MCI-WPT 系统必须引入高频谐振补偿网络才能有效进行电能的无线传输。在原副边电路中引入的高频谐振网络使得 MCI-WPT系统变为一个高阶次,变结构,非线性的系统,这给 MCI-WPT 系统的准确建模带来了困难,因此需要研究准确的建模方法,才能准确地分析 MCI-WPT 系统并以此为依据设计控制器。本文以磁耦合感应式无线电能传输系统作为研究对象,首先介绍了磁耦合感应式无线电能传输系统的结构和系统原理,对国内外研究现状进行了概述,并对常用的的 MCI-WPT 系统建模原理和方法进行了介绍,通过分析现有方法的局限性,引出了本课题研究的重要意义。然后,详细介绍了动态相量法的概念和基本原理,并基于动态相量法,以串-串补偿的 MCI-WPT 系统为对象进行了建模,从而验证了动态相量法建模的可行性与准确性。然后对串联-并联补偿磁耦合感应式无线电能传输系统进行了动态相量建模,建立了其整体的线性模型,基于此模型,对系统进行了控制器设计和动态特性分析并进行了计算机仿真。最后,设计并搭建了基于硬件实验测试平台,对所建立模型的准确性进行了验证。

【关键词】磁耦合感应式无线电能传输;建模;动态相量法;控制器设计

【下 载】 (浏览260次)