文档介绍：研究方向
高功率密度高传输效率磁系统研究
发射端和接收端大功率电力电子高效变换技术
无线电能传输系统控制策略
记录
频率分叉现象:
当互感增大到一定程度时,谐振点频率会出现分叉现象,此时谐振点频率会出现分叉现象,同时出现两个谐振频率,且一个大一个小。
此外值得注意的是,当原边和副边的固有自谐振频率相同时,能量将在原副边之间高效的传输,故一般设计时将原边和副边的自谐振频率以及高频逆变部分的频率设置为相同。
中继线圈的作用:中继线圈的最大作用就是当接收端线圈发生错位时输入阻抗会变大,可以有效的保护电源。
负载匹配:由基本的电路知识可以知道当负载阻抗与电路的阻抗相匹配时可以达到最大的传输效率,因此设计时候需要考虑到电路与负载的阻抗匹配问题。
耦合系数对传输效率和传输功率的影响:当耦合系数增大时系统效率也随之增大,%以上,,随着耦合系数的增大传输功率先是急剧的增大,,然后又会逐渐衰减。
传递效率与自谐振频率的关系:前面已经提到当系统原副边的自谐振频率相同时,能量可以高效的在送耦合变压器的原边和副边之间进行传输,频率的选择很关键,由下图不难发现当在同意耦合系数的情况下,系统的传输效率随着频率的增大而增加,此外需要考虑到发射端线圈高频逆变部分的开关管频率限制,故可以将频率选择在85kHz左右。
无线充电的四种补偿结构:
对串串式无线充电建模可得传输效率公式如下:
系统传输效率与原边副边电感电容数值关系:
系统传输效率与等效负载的关系:带入相关参数后可得,通过matlab可得系统的传输效率和传输功率与等效负载的关系如下:
松耦合变压器原边副边电阻对传输效率的影响:
原副边线圈的电阻对传输效率有着很大的影响,通过仿真可以知道原边电阻增大时传输效率会急剧的减小,而副边电阻较小范围内增大时对频率影响不大,故设计时原边选用高频低电阻率的线圈材料。
上面介绍了无线电能传输过程中的一些影响因素,下面着重介绍控制策略和松耦合变压器对传输效率的影响
磁耦合结构对耦合系数的影响
目前常见的耦合机构设计有圆盘式、DD式结构,通过ansys软件仿真可以得到不同耦合情况下的耦合系数,DD式相较于圆盘式耦合系数更高且单一方向上的容错率更好;此外线圈的相对大小也对耦合系数有着较大影响,对于较大的接收线圈来说,耦合系数会更高,但实际设计时,接收端的线圈的长宽不可能超过汽车的轴距和宽度,而发射线圈的尺寸也不宜超过接收线圈的两倍;另外磁芯结构也对耦合系数有着较大影响,无磁芯结构相较于有磁芯结构来说耦合系数要低很多,值得一提的是在无磁芯结构中,原边和副边都没有磁芯时,耦合系数反而要比单边有磁芯结构耦合系数高。
控制策略
调压控制策略:市电经过整流桥过后输出电压约在300V左右,此时通过一个斩波电路将实现点在0-300V可调,通过控制斩波电路输出电压,来控制传输功率,即通过控制逆变的母线电压来控制整个系统。系统仿真框图如下:
调频控制策略:经过整流的市电直接输入到逆变器的的直流侧,通过控制逆变器的开关频率来实现自谐振,实验仿真图如下:
具体模块设计
系统建模
在原边和副边通过串并电容来进行无功补偿,常见的无功补偿有四种结构,串串式、串并式、并串式以及并并式;对于不同拓扑结构的无功补偿数值如下:
由上图不难看出对于SP、PS、PP三种结构其发射端和接收端的补偿电容均随着负载端的电阻变换而变化,但对于SS结构来说,其发射端和接收端的补偿电容与负载无关,实际工作时,由于不同电动汽车的的负载阻值不可能完全相同,所以一般采用SS结构对电容进行补偿。