【摘 要】
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无线电能传输技术（Wireless Power Transmission,WPT）凭借其非接触式的充电方式,有效地提高了充电的便捷性,近年来逐渐开始应用于电动汽车、植入式医疗设备、水下设备以及消费电子等领域。通常情况下发射线圈和接收线圈难以实现完全的对齐,这会引起线圈间的耦合系数偏离标准工况,从而造成系统输出功率的剧烈波动。有效提高WPT系统的抗偏移性能成为其推广应用尤为关键的一步。在多数时候使用
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无线电能传输技术（Wireless Power Transmission,WPT）凭借其非接触式的充电方式,有效地提高了充电的便捷性,近年来逐渐开始应用于电动汽车、植入式医疗设备、水下设备以及消费电子等领域。通常情况下发射线圈和接收线圈难以实现完全的对齐,这会引起线圈间的耦合系数偏离标准工况,从而造成系统输出功率的剧烈波动。有效提高WPT系统的抗偏移性能成为其推广应用尤为关键的一步。在多数时候使用者希望能在不使用复杂线圈结构和复杂拓扑的前提下,系统具有较强的抗线圈偏移能力,因此通过补偿网络参数优化设计以提高系统抗偏移能力的方法成为一种相当不错的选择。通过补偿网络参数设计来解决WPT系统抗偏移能力的方法,主要是引入可以用于调节补偿元件参数的自由变量,然后通过枚举法或历遍寻优法获得使得系统在预期耦合系数工作区间内输出功率波动率最小的自由变量取值,从而确定各个补偿元件的实际取值。本文首先对常见的补偿拓扑结构进行数学模型分析,并探讨常规SS拓扑和LCC拓扑在面对线圈偏移时的输出功率波动特性,然后基于本文提出的新型通用型补偿网络参数设计方法,以LCC型补偿拓扑为例对该抗偏移参数设计方法进行了验证,同时推导出链式补偿拓扑结构的通用抗偏移参数设计方法,主要研究内容如下:1)LCC型补偿拓扑的抗偏移参数设计方法。首先,研究常规LCC型补偿拓扑的偏移输出特性;然后从参数优化设计出发,引入两个自由调节变量K1和K2对LCC补偿拓扑进行参数优化设计,在耦合系数发生变化导致反射阻抗变化时,通过发射侧的LCC补偿网络实现对发射线圈电流的自适应调节,进而使得磁耦合器的传输功率在宽耦合系数范围内维持相对稳定;最后搭建实验样机对该抗偏移参数设计方法进行了验证,实验结果表明,在线圈的横向偏移百分比δ小于35%的范围内,实现系统输出功率最大波动率保持在10%以内。2)通用型的链式补偿拓扑结构抗偏移参数设计方法。首先介绍了能使得链式补偿拓扑WPT系统具有抗偏移性能的补偿网络参数设计思路,并分析了抗偏移参数设计的本质;然后以PSS拓扑和CCC-S拓扑为例对这种通用型参数设计方法进行了介绍,通过仿真的方式验证了该方法的抗偏移能力提升效果,并获知了增加自由调节变量的数量可以进一步提高WPT系统的抗偏移性能;最后通过搭建实验样机对该通用型参数设计方法进行了验证,引入了2个自由调节变量的CCC-S拓扑可以实现在线圈偏移百分比δ≤45%的范围内实现波动率Δ≤7.65%,最大效率为91.7%,而引入一个自由调节变量的PSS拓扑可以实现波动率Δ≤13.33%,最大效率为90.2%。
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