磁共振模式无线能传输系统优化与控制问题研究.pdfVIP

Study on Optimization and Control of Magnetic Resonance Mode Wireless Power Supply System A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor’s Degree of Engineering By Zhai Yuan Supervised by Prof. Sun Yue Specialty: Control Theory and Control Engineering College of Automation of Chongqing University, Chongqing, China April, 2013 中文摘要 摘 要 磁共振模式无线电能传输技术通过在传统感应模式的基础上增加两个高 Q 值 的共振线圈来实现电能的中尺度传输，解决了传统感应模式只能小尺度传输电能 的弊端，具有广阔的应用前景。目前磁共振模式无线电能传输技术的研究与应用 开发尚不全面和不够深入，相关理论和实验研究还比较欠缺，对磁共振模式的传 输特性、设计方法以及磁共振模式的固有的特性还缺乏具有指导意义的理论与实 验研究。虽然有相关文献对磁共振系统的传输功率和效率进行过一定的分析，但 大多数文献还是基于MIT 采用的耦合模理论对磁共振模式的的电能传输特性进行 分析。耦合模理论避开了物理模型的分析，直接对物体间的能量耦合进行分析， 属于一种宏观上的理论分析方法，避开了物理模型也使得耦合模理论无法反映局 部参数变化对系统的影响。 本文针对磁共振模式的电能传输特性问题，从系统的互感耦合模型出发，对 系统的传输机理、功率、效率，频率以及输出特性进行了全面和系统的分析，同 时根据理论分析提出相应的驱动，参数设计，参数在线计算以及功率控制等方法， 并利用仿真与实验来验证理论分析以及相应设计控制方法的有效性。 在研究过程中，作者主要作了以下工作： 1. 针对磁共振系统四种基本拓扑结构，利用互感耦合理论，综合考虑共振频 率、互感、内阻等各个参数，给出了传输功率和传输效率的计算模型，在此基础 上，分析了互感耦合参数对能效特性的影响，并优化互感以提高系统的功率传输 能力。通过与传统感应模式的对比分析，对磁共振模式的电能传输机理进行了理 论分析，最后，通过实验研究以验证互感耦合模型在磁共振模式理论分析中的有 效性。 2. 通过对传统磁共振模式的分析，提出利用集总电容代替原来的分布电容以 降低系统设计难度，提高系统的稳定性。磁共振系统具有多个线圈，多个补偿电 容，多个互感，各个参数之间相互制约，相互影响，系统的设计是一个多参数， 多变量的优化问题，以往的参数优化一般是单参数优化而且只优化到互感，并没 有优化到具体的匝数上来，本文利用线圈匝数与自感互感的关系，以采用集总电 容的SSSS 型拓扑为优化对象，给出了系统的非线性数学规划模型，利用改进型遗 传优化算法给出了系统的参数设计方法。最后，通过实验研究证明了理论分析与 设计方法的正确性。 3. 以 PSSS 电流型磁共振系统为例，基于频闪映射和周期不动点理论对其进 行建模分析，给出了PSSS 系统的频率和功率模型，利用频率模型对其软开关工作 I 重庆大学博士学位论文 点特性进行了仿真研究，从而得出磁共振模式适宜采用恒频控制的结论，利用功 率模型分析了原边谐振电流、负载输出电压与负载的关系，发现PSSS 型结构具有 自然恒流恒压的特性，通过交流阻抗法给出了使系统自然恒流恒压的负载边界条 件。最后通过仿真与实验验证了理论分析的正确性。