摘要: 无线电能传输通过非物理接触的方式实现电源与负载之间的能量传递，具有安全、可靠、灵活等传统电缆式电能传输无可比拟的优点。根据传输机理主要分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式以及超声波等。其中，基于感应耦合式无线电能传输(InductivePo... 展开 无线电能传输通过非物理接触的方式实现电源与负载之间的能量传递，具有安全、可靠、灵活等传统电缆式电能传输无可比拟的优点。根据传输机理主要分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式以及超声波等。其中，基于感应耦合式无线电能传输(InductivePowerTransfer，IPT)在传输功率和效率上具有明显优势。但在系统设计时，存在以下难点：(1)由于能量隔空传递，无法对磁通形成强有力的束缚，导致漏感较大，从而在系统内产生很大的无功环流，进而导致充电系统中功率器件的电压电流应力过高，系统效率较低；(2)当系统负载为动力电池时，其充电电压、电流变化范围较宽，且在整个充电过程中，等效负载会发生变化，增加了系统参数设计的难度；(3)在传统IPT无线电能传输系统中，松耦合线圈大多采用对称结构(初次级线圈尺寸基本一致)。然而在实际应用中，受安装空间限制，次级线圈尺寸往往较小。 综合以上分析，本学位论文以基于IPT技术的动力电池无线充电系统为研究对象，在分析感应式无线电能传输机理的基础上，结合串串补偿(Series-Series,SS)探究线圈参数对传输效率，谐振电压、电流应力的影响。并在次级线圈小尺寸限制下，基于不对称线圈结构，进一步提出了综合考虑谐振元件电压应力、电流应力以及传输效率的松耦合线圈设计思路以及参数优化流程。 论文首先阐述了感应式无线电能传输机理，基于互感模型和变压器模型对参数进行分析，推导了两种等效模型之间的参数关系。在电压增益已知的前提下，分析了基于部分漏感补偿等效分析模型在进行数设计时的便利性；结合本文应用场景，对比了不同补偿拓扑的传输特性，最终选择SS补偿并基于部分漏感补偿等效分析模型研究了该补偿拓扑的工作特性。理论分析表明，当使用该拓扑对松耦合变压器中的等效漏感进行完全补偿时，系统可工作于电压增益与负载无关点，且输入阻抗呈感性，可实现原边开关管的零电压开通。 然后，针对电池负载的特性，结合典型的两段式充电曲线，以充电曲线最大充电功率点作为额定点进行参数设计；结合项目需求，在次级线圈小尺寸的限制下，采用非对称线圈结构(初级线圈直径260mm，次级线圈直径110mm)，提出了综合考虑谐振元件电压应力、电流应力以及传输效率的松耦合线圈设计思路以及参数优化流程，并分析了采用叠绕线圈结构对参数以及传输性能的影响。通过理论分析了变频控制策略的实现原理及可行性。 最后基于SS补偿拓扑，结合所提出的设计流程对松耦合线圈进行设计。在实验室研制了一套传输距离为30mm、最大传输功率为3kW、最高传输效率达96%的无线充电系统。该系统基于变频调制(PulseFrequencyModulation,PFM)实现了对动力电池的两段式充电，并保证整个充电过程中初级逆变开关管的零电压开通。在实现所需功率传输的前提下保持了较高传输效率和功率密度，且谐振电压、电流应力在预设范围内。 收起