LCL型补偿感应耦合电能传输系统的分析与设计

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感应耦合电能传输是一种利用高频电磁场近场耦合原理实现电能非接触传输的技术,其系统组成包括高频逆变、谐振补偿网络及松耦合变压器等环节,呈现出多参数高阶非线性特性,且参数变化会影响功率传输性能。因此,通过分析各参数之间的关系,进而得出提高系统性能的参数设计方法具有重要的理论意义和参考应用价值。通过对LCL谐振电路的阻抗变换及输出特性进行分析,得出实现恒流恒压的谐振频率计算方法。分析了全桥LCL谐振型ICPT系统的基本工作过程,基于互感等效模型,推导出系统输出电压的表达式,采用Matlab对其进行仿真分析,得出了负载电阻与频率对输出电压影响的曲线图。通过分析影响LCL型补偿系统功率传输能力的因素,得到了耦合系数k、电感比值λ、品质因数Qn与传输功率的关系,为系统的参数选择提供理论依据。在不同品质因数的情况下,通过对谐振频率点附近元器件应力进行分析,得出当系统传输相同功率时,LCL型补偿ICPT系统的开关器件承受的电流应力较低,系统可靠性更好。考虑线圈内阻,推导出系统效率表达式,得出互感、工作频率、负载电阻与系统效率的关系以及系统最大效率对应的最佳谐振频率点。通过分析原边谐振网络端口有功功率与负载的曲线关系,得出系统额定输出功率所对应LCL型补偿电路的最佳电感比值。根据各参数之间的关系,对谐振频率、电感比值、谐振线圈及补偿电容设计等进行详细分析,提出一种全桥LCL型补偿ICPT系统的参数设计过程,并通过选择系统最优参数,确保系统工作在最佳状态及能量高效传输。研制LCL全桥ICPT样机并搭建实验平台,对系统关键参数进行测试与分析,实验结果验证了理论分析的正确性及设计方法的可行性。
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