【摘 要】
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磁耦合谐振式双向无线电能传输（Bidirectional Wireless Power Transfer,BWPT）技术是近年来兴起的中距离无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术,BWPT技术不仅具有WPT技术的安全性和便利性,而且还可以实现电能的双向传递,在未来的可穿戴设备等互动场合具有广阔的应用前景。但是BWPT系统的恒功率传输以及线圈参数优化等方面都未进行
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磁耦合谐振式双向无线电能传输（Bidirectional Wireless Power Transfer,BWPT）技术是近年来兴起的中距离无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术,BWPT技术不仅具有WPT技术的安全性和便利性,而且还可以实现电能的双向传递,在未来的可穿戴设备等互动场合具有广阔的应用前景。但是BWPT系统的恒功率传输以及线圈参数优化等方面都未进行深入的研究,因此,本文对BWPT系统实现过程中的关键技术展开研究,包括以下几个方面:（1）本文根据BWPT系统的工作原理,建立了等效电路模型,对比分析了多种谐振拓扑结构,最终选用结构简单、易于调谐的S-S型（串联-串联耦合结构）作为本设计的谐振结构。（2）为了实现BWPT系统高效率、恒功率传输,本文提出了一种基于增量式PID算法的自适应控制策略,通过2.4 GHz无线收发模块实现输出功率的实时反馈,动态调整发射端的有效电压,从而保证输出功率的恒定。（3）电磁耦合线圈作为磁耦合谐振式BWPT系统电能传输的核心器件,其互感系数以及磁场强度分布难以估算,对系统的设计造成不小的困难。本文通过电磁场分析软件Maxwell3D对BWPT系统的电磁耦合线圈进行了仿真分析,从空间磁场分布的角度出发,建立了收、发线圈的3D模型,分析不同截面积、不同偏移状态、不同形状的电磁耦合线圈,得到相关参数,以指导设计过程中线圈参数的优化。（4）作为验证,本文搭建了一个完整的BWPT系统样机,包括STM32控制电路、栅极驱动电路、全桥变换器等。给出BWPT系统的软、硬件的设计过程。实验测试结果表明,该样机可以在轴向距离为5 cm、横向偏移为4 cm和角度偏移为60°的范围内实现4 W的恒功率输出,最高传输效率可达66.17%,证明了本文所提出的基于增量式PID算法的恒功率控制策略有效性,也进一步验证了BWPT技术的可行性和实用性。
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