磁耦合谐振式无线电能传输系统特性及其控制策略研究

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随着各类移动设备的日益普及,人们对移动设备的供电便携性、可靠性,提出了越来越高的要求。无线电能传输技术的开展,对解决设备移动灵活性差、供电线暴露等问题具有重要的研究意义。磁耦合谐振式无线电能传输技术是目前无线电能传输领域的一个研究热点,但该技术起步较晚,相关的理论与实验研究尚不够全面与深入。论文主要针对磁耦合谐振式无线电能传输系统的相关特性与控制问题展开研究,旨在为系统的分析与优化提供解决方案。  在研究过程中,作者主要做了以下工作:  1)对比分析了耦合模理论与互感理论在系统建模中的优缺点以及适用性,提出了两种分析理论等价适用的条件以及系统的工作条件;建立了系统的暂态分析过程,从能量的角度对系统进行了分析,得出了互感理论与耦合模理论在系统建模中的区别与联系。  2)给出了空间磁场的计算方法及其分布与变化趋势。研究结果表明在谐振工作状态下,发射线圈与接收线圈中的电流和磁场均存在90°的相位差,并且空间磁场在线圈周围成周期性的变化,周期是系统工作电流的周期的1/2倍。  3)给出了频率分裂现象发生的边界条件,分析了频率分裂的关键因素以及频率分裂现象的发生对系统传输性能的影响;研究了互感参数变化对系统传输性能的影响,在此基础上提出了一种在给定条件的盘式谐振器线圈的优化设计方法。  4)建立了含多个谐振器线圈的系统分析模型,分析了负载线圈和驱动线圈的作用以及适用范围,解决了系统最小接入的问题;研究了中继线圈在系统中的作用以及建立了含多中继线圈的系统分析方法。  5)针对频率分裂问题,提出了定频控制和定负载的变频控制等两种有效的解决方案;针对传输效率随距离变化较敏感的问题,提出了基于频率分段控制的效率稳定策略;针对系统发射端与接收端信息交互困难的问题,提出了系统的在线参数的监测与控制策略,实现了系统参数的可观、可控。  6)搭建了两套频率工作范围不同、应用对象不同的实验系统,并论证了不同的实验系统设计方案。  
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