摘要
双向无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术由于其巨大的应用前景成为了当前的热门研究方向之一，其不仅可以与V2G技术相结合以实现电动汽车等分布式储能设备对电网的削峰填谷作用，具有重要的社会和经济价值，同时还可以实现移动消费电子产品之间的互充，提高了日常生活的便捷性。磁耦合机构原副边线圈非对正时系统的电气特性会变差是限制双向WPT技术进一步发展的主要原因，同时能量双向传输时实现电路的近似单位功率因数运行和软开关对于提高系统的传输效率也至关重要，此外，能量传输方向的自动切换使双向WPT系统具有了实际使用意义。针对上述问题，本文提出了一种新型的集中磁通式三线圈磁耦合机构以提高磁耦合机构的抗偏移能力，提出了适用于双向WPT系统的并联电感型PS/SP补偿拓以提高传输效率并进一步提高系统抗耦合变化能力，最后提出了一种能量双向传输自动判断与切换控制策略。 本文基于集中磁通和抵消线圈的思想，提出了具有强抗水平偏移和角度偏移能力集中磁通式三线圈磁耦合机构，这种磁耦合机构原副边之间的耦合磁通非常集中，并且原边线圈在气隙处可以产生较为均匀的磁场。优化后的磁耦合机构在一定范围内发生水平方向偏移或者沿Z轴发生角度偏移时，其耦合系数几乎不变。本文通过对各待优化尺寸参数变化时的磁场仿真，得到了适用于所提磁耦合机构的通用尺寸参数优化流程。通过与四种目前已提出的具有强抗偏移能力的磁耦合机构进行比较，证明了其优异的综合性能。当最大水平偏移距离为原边线圈外边长的37.5%时，所提磁耦合机构的耦合系数最大变化率为93.29%，沿Z轴旋转时，耦合系数最大变化率为97.35%。 本文提出了一种适用于双向WPT系统的并联电感型PS/SP补偿拓扑，该补偿拓扑与传统的并联电容型PS/SP补偿拓扑的相比，减少了补偿元件的数量，且补偿元件的电压应力低。本文详细分析了能量双向传输时所提补偿拓扑的输入阻抗、电压增益特性，分析了各补偿元件参数值和原副边线圈的自感与等效交流阻抗的比值对输入阻抗与电压增益的影响，分析了无源元件电压应力与耦合系数的关系，以及各寄生电阻和原副边线圈自感、负载电阻对等效电路效率的影响，在此基础上给出了所提补偿拓扑的参数优化方法。所提补偿拓扑的优点是具有良好的对称性，适用于能量的双向传输；具有较好的抗耦合变化能力；可以实现近似单位功率因数和ZVS软开关。 本文采用了基于移相调制的原副边闭环控制策略以实现所提双向WPT系统在能量正向传输时的恒压输出和能量反向传输时的恒流输出功能，基于该闭环控制策略，本文采用蓝牙模块以实现原副边之间的数据传输，并设计了原副边的电流、电压采样电路和通信电路。本文提出了一种能量传输方向的自动判断和切换控制策略，使所提双向WPT系统可以在离线的情况下自动切换能量传输的方向。 为验证所提双向WPT系统理论的正确性，本文研制了一台1kW的实验样机，并分别进行了开环实验和闭环实验。在开环实验中当磁耦合机构的水平偏移距离为原边线圈外尺寸的37.5%时，能量双向传输时的输出电压/电流波动系数仅为2.80%和2.76%。在闭环实验中，能量双向传输时的最低传输效率分别为91.21%和90.25%。
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