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面向家电应用的多分区ICPT系统设计与实现

Design and Implementation of Multi-region ICPT System for HouseholdAppliance Applications

【作 者】吴传林

【摘 要】

感应耦合电能传输(ICPT)技术是一种新型的电能接入方式,其综合利用电磁感应原理、电力电子技术以及现代控制技术,以高频磁场作为能量传输的介质,实现电能从电源向用电设备非电气接触方式的传输。智能家居近些年来为越来越多的人们所关注,消费电子产品、便携式电子设备已成为人们办公和生活的必需品。“无尾”家电、厨电和无线充电手机等摆脱传统用电线缆的限制,使用方便、快捷,为越来越多的消费者所接受。目前很多此类产品的“无线电源”基本都是专用的,由于电压、功率等级存在差异,大多应用都是采用独立成套的系统单独供电,特别是在同一个使用区域(比如桌面、作业台面),势必产生较高的成本和造成资源的浪费。针对这一问题,本文对中小功率等级负载,能够在小范围内同时为多个不同用电设备提供电能,实现电能无线传输的多分区 ICPT 系统展开了研究。主要研究工作如下:

针对多分区系统分区间线圈可能存在互感影响而改变系统参数,导致谐振点偏移,降低系统性能的问题,分析了分区间互感的影响因素,并给出了减小甚至消除这种互感影响的措施。针对分区负载的切入切出可能会改变其他分区电路谐振参数,影响主电路工作的问题,建立分区等效模型,并通过分析及仿真验证分区间并联的多分区 ICPT 某一分区负载的切入切出不会改变其它分区电路的谐振参数而影响分区的正常工作。

为了满足各分区存在不同电压、功率等级的需求,结合负载的特点,系统采用 LCL-P 型补偿网络拓扑。基于二端口理论及反射阻抗理论建立系统模型,给出了系统同时满足 LCL 网络输出稳压及电压 n 倍放大和实现软开关的约束条件,对满足给出的条件下系统的输出电压、输出电流、输出功率及效率进行了分析。然后提出了一种适用于 LCL 型多分区 ICPT 系统的参数配置方法,该方法能够实现原边恒压副边恒流与负载无关,同时实现 ZCS,减小了开关管的损耗,提升系统效率,并且只需通过改变补偿电感来改变其与原边线圈电感的比值,就能够改变系统输出电压,不同分区可以实现升压或者降压,具有较宽的输出电压范围。

最后设计了两个分区的 LCL 型多分区 ICPT 系统,借助 Matlab/Simulink 平台建立了仿真模型,并根据仿真模型搭建了相应的硬件实验装置,进行了仿真和实验,仿真和实验结果验证了前文分析的正确性和所提出系统参数配置方法的可行性。

【关键词】感应耦合电能传输(ICPT),多分区,LCL 补偿,参数配置,家电应用

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