【作 者】翟渊

【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。
4.由于磁共振 系统的高阶特性使得系统很容易出现多软开关工作点，系统的高 Q值也使得系统的频率鲁棒性降低，因此磁共振系统需要进行恒频驱动。磁共振系统工作频率高于传统的感应模式，为降低损耗，逆变器还应工作在软开关状态。本 文提出了一种新型的恒频软开关逆变拓扑，对软开关的工作原理，系统的工作模态进行了详细分析，给出了系统零电压工作的边界条件。仿真及实验结果验证了该软 开关逆变拓扑的有效性。
5.针对磁共振发射端接收端电气隔离造成的接收端参数检测困难的问题，提出一种新型的参数在线计算模型，在不需要对接 收端参数进行检测的情况下，通过发射线圈电压电流相位来实时计算接收端参数。对接收端为并联补偿的拓扑给出了负载以及共振线圈间互感的计算表达式，对接收 端为串联补偿的拓扑则给出了负载的表达式。对于接收端为串联型结构，若需要同时检测负载以及共振线圈间的互感则需要利用能量模型来计算，本文也给出了基于 能量模型的负载和互感的计算表达式。最后根据计算结果构建了一个Buck控制器对输出进行控制，并通过实验对理论分析进行了验证。
本文主要有以下几点创新性贡献：
⑴针对传统基于分布电容的磁共振模式频率鲁棒性差，参数设计困难的问题提出了一种基于集总电容的磁共振模式参数优化设计方法，给出了参数优化设计的非线性数学规划模型，得到了较优的参数设计结果。
⑵针对磁共振模式需要恒频驱动的问题，提出了一种新型的恒频软开关逆变拓扑，对软开关逆变的工作原理进行了详细的分析，给出了系统零电压工作的边界条件。
⑶针对磁共振模式接收端参数检测困难的问题，提出了一种新型的接收端参数在线计算模型，根据发射端的计算结果设计控制器对输出进行控制，在无需检测接收端参数的情况下实现了接收端电压的有效控制。

【关键词】无线电能传输；磁共振模式； 互感耦合模型 ；控制方法；能效特性；数学规划

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