一种自适应谐振的无线充电技术研究

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近几年来随着电子技术、控制技术的不断发展,无线电能传输技术受到越来越多的关注。相比传统有线电能传输技术,无线电能传输技术可以脱离电缆线的约束,实现一定空间距离的能量传输。此技术具有便捷、安全、可靠等特点,在诸多领域有着广泛的应用,例如为移动电子设备、植入式医疗电子设备充电等。在无线电能传输技术中,感应式无线电能传输系统(IPT)因其传输距离适中,原理实现简单的特点,具有广阔的发展前景。但通常IPT系统级联较多,系统参数相互耦合,外部电气参数轻微变化,都将造成系统控制困难与失谐,改变系统的正常工作状态。针对上述问题,本实验室课题组近期提出了一种能量注入式自适应谐振的无线电能传输系统,通过将电能传输过程分为相互独立的能量注入与自由谐振阶段,可有效解决传统IPT系统参数相互耦合、粘连性强、易失谐的问题。但原有方案采用六个开关管来实现这一电路拓扑,且系统的控制环节仍处于开环控制阶段,开关通断时间需预先计算设置,控制过程较复杂,器件成本较高。本文改进了原有拓扑方案,采用三个开关管的电路拓扑来实现能量注入式自适应谐振过程,并采用了闭环控制,既简化了控制过程又节省了器件成本。本文首先对基于能量注入式自适应谐振系统的电路拓扑、工作原理及模态切换进行了详细的分析,并建立了系统模型。同时为应对外部电气参数变化,设计了一种系统自适应调节控制策略,在能量注入阶段,电源独立向初级线圈注入能量,在自由谐振阶段,将电源隔离,电能以谐振网络固有谐振频率传输。由于能量注入是独立的,因此变换器的频率不必与谐振网络频率相同,降低了开关损耗。然后通过仿真软件,对系统进行仿真验证,当系统负载阻值或者耦合系数发生变化时,通过自适应控制策略,系统仍能保持谐振状态以及软开关条件,相比传统IPT系统,无需追踪系统谐振频率变化导致的失谐,降低了系统控制难度。最后基于理论设计与仿真结果搭建实验平台,在负载、传输距离变化的情况下通过实验验证理论和仿真分析的正确性。
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