具有恒壓-恒流輸出特性的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)溲芯?pdf

1、電場耦合無線電能傳輸(Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT)技術(shù)是一種以高頻電場作為能量傳輸介質(zhì)，并綜合利用電力電子技術(shù)、諧振補(bǔ)償與控制等技術(shù)，實現(xiàn)無直接電氣連接的電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)的耦合機(jī)構(gòu)輕便成本低且柔韌性好，并具有對周圍導(dǎo)體不會產(chǎn)生渦流損耗以及電磁兼容性較好等諸多優(yōu)點，目前已受到國內(nèi)外專家學(xué)者的高度關(guān)注。在ECPT系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，有的用電設(shè)備要求ECPT系統(tǒng)的輸出具有恒壓或恒流

2、特性；有的設(shè)備則要求系統(tǒng)輸出能夠根據(jù)實際需求運(yùn)行在恒壓或恒流狀態(tài)；此外，一些實際應(yīng)用需要同時對多個用電設(shè)備供電，其中有的設(shè)備需要系統(tǒng)輸出具有恒壓或恒流特性、有的設(shè)備要求系統(tǒng)輸出能根據(jù)需要運(yùn)行在恒壓和恒流狀態(tài)、還有的則不要求系統(tǒng)輸出電壓或電流恒定，對于這種應(yīng)用需求，除了要確保系統(tǒng)的傳輸特性不會受負(fù)載變化的影響以外，還要保證拾取電路的隨機(jī)投入切除不會影響到系統(tǒng)的輸出。圍繞這三類應(yīng)用需求，本文首先采用二端口理論分析了二階、三階及四階諧振網(wǎng)絡(luò)的

3、輸出恒定一般性條件，在此基礎(chǔ)上提出了三種適用于不同應(yīng)用場合的系統(tǒng)拓?fù)?。在無需增設(shè)額外通信與控制電路的條件下，所提出的拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓或電流基本不會隨著負(fù)載的變化而改變，同時又能保證系統(tǒng)始終運(yùn)行在ZPA（Zero Phase Angle）狀態(tài)，而且還具有較高的諧波抑制能力以及參數(shù)魯棒性。
　　具體而言，本文主要做了以下研究工作：
　　圍繞現(xiàn)有諧振網(wǎng)絡(luò)的多種拓?fù)湫问?，建立了諧振網(wǎng)絡(luò)的二端口傳輸模型，給出了電壓控電壓、電壓

4、控電流、電流控電流、電流控電壓四種情況下諧振網(wǎng)絡(luò)輸出具有恒壓或恒流特性的條件，給出了二階、三階及四階諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)恒定輸出的參數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上給出了具有恒定輸出的電路形式。另外，針對諧振網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性對參數(shù)變化較敏感的問題，基于阻抗變換原理建立了基于反向Γ-T諧振網(wǎng)絡(luò)的ECPT系統(tǒng)的電壓增益模型，給出了負(fù)載品質(zhì)因數(shù)、電感比值及電容比值對系統(tǒng)電壓增益的影響規(guī)律，并通過仿真與實驗驗證了電壓增益模型和參數(shù)選值區(qū)間。所給出的諧振網(wǎng)絡(luò)輸出恒定的參

5、數(shù)條件以及諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)敏感性研究為后續(xù)的拓?fù)溲芯刻峁┝死碚撘罁?jù)。
　　針對需要 ECPT系統(tǒng)的輸出具有恒壓特性的單拾取應(yīng)用場合，提出了一種基于T-Π復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，實現(xiàn)了系統(tǒng)輸出電壓基本不會隨著負(fù)載變化而改變，同時始終運(yùn)行在ZPA狀態(tài)。圍繞系統(tǒng)中Π-CLC和T-LCL網(wǎng)絡(luò)的支路電抗的特點，建立了兩種網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型，分析了不同參數(shù)配置方法下Π和T網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性、輸出電壓/電流增益以及兩種網(wǎng)絡(luò)的輸出恒定條件。研究了不同參數(shù)配置方

6、法下，Π和 T網(wǎng)絡(luò)的全諧波畸變率，進(jìn)而給出了具有最低逆變器輸出電流畸變率和整流橋輸入電壓畸變率的配置方式。分析了諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)對諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性影響，給出了在指定輸出電壓偏差率內(nèi)相應(yīng)的負(fù)載變化范圍，并在前面的分析基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法。系統(tǒng)的恒壓輸出特性、諧波抑制能力以及參數(shù)設(shè)計方法的準(zhǔn)確性在仿真和實驗中得到了驗證。
　　圍繞用電設(shè)備要求 ECPT系統(tǒng)的輸出特性在不同運(yùn)行階段具有不同恒定特性的應(yīng)用場合，提出了一種基于F

7、-F/T變拓?fù)渲C振網(wǎng)絡(luò)的ECPT拓?fù)?，并給出了F/T拓?fù)涞那袚Q方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)輸出能夠根據(jù)需求運(yùn)行在恒壓或恒流狀態(tài)。根據(jù)基波近似原理以及網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，建立了網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型，在此基礎(chǔ)上研究了 F-LCLC和F-CLCL網(wǎng)絡(luò)的輸出增益及輸出恒壓的參數(shù)條件，分析了兩種諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗特性對頻率和品質(zhì)因數(shù)變化的敏感性，給出了T-CLC網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性以及恒流輸出條件，并結(jié)合三階T網(wǎng)絡(luò)和四階F型網(wǎng)絡(luò)兩者的拓?fù)涮攸c，給出了T-CLC和F-CLCL

8、網(wǎng)絡(luò)的相互轉(zhuǎn)換方法。在此基礎(chǔ)上分析了所提系統(tǒng)的恒定輸出的負(fù)載變化范圍，給出了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計流程。最后建立了系統(tǒng)的仿真模型并搭建了實驗裝置來驗證了所提系統(tǒng)的恒壓/恒流輸出特性、兩種狀態(tài)相互切換方法的有效性以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法的可行性。
　　針對需要ECPT系統(tǒng)的輸出同時具有恒壓、恒流、恒壓/恒流以及不需要恒壓或恒流多種特性的多拾取應(yīng)用場合，提出了一種發(fā)射端采用F-LCLC諧振網(wǎng)絡(luò)，拾取端根據(jù)需求采用相應(yīng)諧振拓?fù)湫问降?ECPT系統(tǒng)，

9、給出了系統(tǒng)參數(shù)的配置方法以及耦合機(jī)構(gòu)的調(diào)諧控制方法，實現(xiàn)了負(fù)載的自身變化基本不會影響到系統(tǒng)的輸出，同時其他拾取電路的隨機(jī)投切也基本不會影響到系統(tǒng)的輸出特性。根據(jù)傅里葉展開級數(shù)，求解了空載狀態(tài)下發(fā)射端F-LCLC網(wǎng)絡(luò)的輸入諧波電流的表達(dá)式，給出了諧波與基波電流幅值比關(guān)于諧波階數(shù)的變化規(guī)律。給出了耦合機(jī)構(gòu)的無級調(diào)諧電路，依據(jù)磁通量等效原理建立了等效電感的模型，介紹了所采用的調(diào)諧控制算法，并結(jié)合諧振網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性給出了系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計方法。最后