基于四线圈结构的感应式无线电能传输系统研究

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随着生产力的迅猛发展,能源作为核心问题受到越来越多的重视。而电能已经成为现代社会最重要的动力来源之一。传统的电能传输通常采用线缆的方式,但存在无法避免的传输损耗、发热以及线路老化、尖端放电等问题,极易引起安全事故。因此在一些领域,无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术有着无可比拟的优势,有望代替传统输电技术。感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)是一种有效的WPT技术方案,具有传输功率大,传输效率高以及传输距离较远等优点,应用潜力巨大。但传统IPT系统补偿拓扑的抗偏移能力较差,当接收端发生偏移时,传输功率会产生较大波动从而影响系统正常工作。本文主要针对提升IPT系统抗偏移能力,提出了一种四线圈结构的感应式无线电能传输系统,对于促进无线电能传输技术在实际场景中的普及具有一定的意义。本文首先介绍了无线电能传输技术的基本概念、特点及分类,然后总结了当前国内外的研究现状。通过建立等效电路的方法,详细分析了IPT系统中常用的SS补偿拓扑和双边LCC补偿拓扑,推导了系统输入输出特性,指出了影响系统输出功率的因素及在实际应用中存在的问题。在此基础上本文给出了一种四线圈结构的IPT系统,并进行了详细的分析研究。首先建立了简化的受控源等效电路模型,之后针对其基波近似电路利用经典的电路叠加定理分析方法推导了系统输入输出特性。进一步地,并针对多耦合结构分别计算了每组通道的传输功率,从运行原理上分析了系统抗偏移能力,提出了优化传输的影响因素。最后,根据理论分析搭建了实验平台,设计并实现了传输距离为100mm的IPT系统,输入输出电压均为250V,正对时的系统输出功率为500W,DC-DC效率达到了96.067%。当系统沿x方向偏移100mm后输出功率为正对时的56%;沿y方向偏移100mm后输出功率为正对时的92%。实验结果表明系统具有较强的抗偏移能力,验证了所提拓扑的可行性。
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