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IPT系统最大功率跟踪和最大效率跟踪研究

Research on Maximum Power Tracking and Maximum Efficiency Tracking of IPT Systems

【作 者】李小飞

【摘 要】

基于磁场耦合的感应电能传输(Inductive power transfer, IPT)技术起源于一个世纪以前,并以其独特的优越性成为了电力电子领域的研究热点之一。最大传输功率以及最大系统效率,分别表征了IPT系统的功率传输能力和能量利用效率,是决定系统性能最为关键的两个指标。但前期研究表明,系统无法同时实现最大功率与最大效率跟踪,须根据实际性能需求选择系统的性能跟踪模式。当前关于IPT系统的最大功率跟踪和最大效率跟踪的研究中存在:由于阻抗匹配范围受限所导致的跟踪负载冗余度受限、由于耦合系数未知所导致的跟踪失败以及由于原副边通信方式不当所导致的跟踪性能不佳等问题。这些问题在一定程度上限制了最大功率跟踪和最大效率跟踪的实际应用。本文从系统阻抗等效模型构建入手,分析了最大功率及最大效率的跟踪条件,给出了基于有源阻抗匹配的跟踪控制架构。针对系统跟踪过程中的负载适应性问题,提出了基于有源阻抗匹配变换器双工作模式的阻抗匹配范围扩展方法;针对电能传输过程中的耦合系数波动自适应问题,提出了基于固有跟踪拓扑与动态耦合系数辨识的最大功率与最大效率跟踪机制;面向跟踪过程中的原副边信息交互问题,提出了基于磁场传输能量、电场传输信号的能量信号并行传输方法。

具体而言,本文主要研究工作如下:

1. 围绕基于阻抗匹配方式的最大功率跟踪和最大效率跟踪,文中构建了IPT系统的阻抗模型,推导了系统实现最大功率跟踪和最大效率跟踪的负载条件,给出了跟踪中常用的阻抗匹配电路。依据不同阻抗匹配电路的拓扑,研究了它们的阻抗变换关系,推导了阻抗匹配电路可控参数的一般设计方法,给出了基于阻抗匹配方式的最大功率跟踪和最大效率跟踪的控制机制。

2. 针对阻抗匹配范围受限所导致的无法实现最大功率跟踪和最大效率跟踪的问题,文中分析了阻抗匹配范围受限的原因,提出了一种通过切换DC/DC变换器的工作模式扩宽阻抗匹配范围的方法。依据DC/DC变换器在电流连续模式(Continuous Current Mode, CCM)、电流断续模式(Discontinuous Current Mode, DCM)下的电压传输模型,建立了两种工作模式下的阻抗模型,从而得到了切换DC/DC变换器的工作模式可扩宽的负载适配范围。在此基础上,给出了基于阻抗匹配范围扩展的最大功率跟踪和最大效率跟踪的控制策略,实现了更宽负载变化范围下的最大功率跟踪和最大效率跟踪。

3. 针对耦合系数未知所导致的无法实现最大功率跟踪和最大效率跟踪的问题,文中详细分析了该问题的原因,提出了一种基于固有跟踪拓扑的动态耦合系数辨识方法。又由于通过IPT系统的副边电气参数识别耦合系数时存在二值问题,提出了一种解决此二值问题,判断真实耦合系数的策略。给出了耦合系数自适应最大功率跟踪和最大效率跟踪的控制结构以及系统工作流程图。仿真和实验均验证了所提出的耦合系数辨识策略的可行性,并实现了耦合系数自适应的最大功率跟踪和最大效率跟踪。

4. 围绕原副边信息交互下的最大功率跟踪和最大效率跟踪,文中提出了一种利用原副边磁屏蔽金属板、耦合线圈间的寄生电容传输信号的方法。在此基础上,提出了一种基于信息交互的动态耦合系数辨识方法,给出了IPT系统的输出恒压控制策略,以及系统实现最大功率跟踪和最大效率跟踪的控制流程。仿真和实验均验证了所提出的信号传输方法的可行性,以及动态耦合系数辨识的正确性。系统实现了具有输出恒压与动态耦合系数辨识功能的最大功率跟踪和最大效率跟踪。

【关键词】感应电能传输(IPT),最大功率跟踪,最大效率跟踪,阻抗匹配,耦合系数辨识

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