一種基于電容耦合諧振的電網(wǎng)取電裝置

一種基于電容耦合諧振的電網(wǎng)取電裝置隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展、進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)由于其高效高能、安全環(huán)保、穩(wěn)定可靠、便攜的優(yōu)點(diǎn)為人們帶來(lái)了諸多便利，并得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中，屬磁場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸應(yīng)用最為廣泛，但磁耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式中存在線(xiàn)圈同軸性強(qiáng)、渦流損耗大、電磁干擾大等問(wèn)題，這些弊端影響了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。為解決磁耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的弊端，本文提出了一種新型電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式。電容耦合式諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸，也被稱(chēng)為電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)，是一種針對(duì)磁耦合諧振式能量傳輸?shù)谋锥搜芯砍龅?、利用電力電子變換技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)代控制理論研究的新型能量傳輸方式。本文首先基于所學(xué)電路理論和電力電子技術(shù)來(lái)分析電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的電路原理圖，由其電路原理圖及其重要性質(zhì)可以推導(dǎo)獲得一種可用之于電動(dòng)汽車(chē)快速充電的電容耦合諧振式電網(wǎng)無(wú)線(xiàn)能量傳輸裝置的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)其電路中存在的兩種ECPT能量提取方案進(jìn)行對(duì)比、討論，把最終實(shí)驗(yàn)方案確定。其次，由于充電設(shè)備的多樣性，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用電器的充電方案；同時(shí)由于開(kāi)關(guān)損耗、電磁干擾問(wèn)題在設(shè)備運(yùn)行時(shí)存在于高頻逆變模塊里，采用軟開(kāi)關(guān)功能電器。最后，把重要部件的參數(shù)配置包括耦合機(jī)構(gòu)的交流等效電阻及并聯(lián)耦合等效電感等確定；為了證明調(diào)諧的必要性及闡述電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)取電裝置的輸出特點(diǎn)，本文通過(guò)MATLAB仿真來(lái)分析實(shí)驗(yàn)方案的輸出功率、頻率及等效電阻之間的關(guān)系；為了驗(yàn)證調(diào)諧電路的可行性，在SIMUINK平臺(tái)設(shè)計(jì)、仿真相應(yīng)的電路。應(yīng)用電容投電感切的方案補(bǔ)償耦合機(jī)構(gòu)來(lái)針對(duì)失諧問(wèn)題。關(guān)鍵詞無(wú)線(xiàn)能量傳輸；電容電感調(diào)諧；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；電容耦合；動(dòng)態(tài)調(diào)諧第1章緒論1.1課題背景科技技術(shù)自二十世紀(jì)以來(lái)得到巨大的發(fā)展，電氣化設(shè)備已經(jīng)普及現(xiàn)代社會(huì)，還在日益滲透人們生活的方方面面。人們對(duì)電能的要求不再僅局限于對(duì)電能的安全性及充足性，對(duì)電能的便捷性的要求也有了很大提高【1】。隨著新型電子器件行業(yè)以及電工理論的不斷發(fā)展，很多以前的電氣方面迫于時(shí)代限制未能實(shí)現(xiàn)的設(shè)想，逐一地變成了現(xiàn)實(shí)24】。二十世紀(jì)初期，著名的美國(guó)塞爾維亞裔電氣工程師尼古拉特斯拉提出了無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)(WirelessPowerTransmissionTechnique)這一概念，無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)是利用特殊的電氣設(shè)備將電源傳輸出來(lái)的電能經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)變成為電場(chǎng)能量的形式或者磁場(chǎng)能量的形式，從而實(shí)現(xiàn)在無(wú)電線(xiàn)、電纜連接情況下進(jìn)行電能傳輸?shù)募夹g(shù)。無(wú)線(xiàn)能量傳輸這一技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)的許多方面可以得到廣泛的應(yīng)用，極大地改善了人們生產(chǎn)生活中很多傳統(tǒng)電能傳輸方式帶來(lái)的不方便甚至安全隱患，如：高鐵以及大型吊車(chē)等移動(dòng)設(shè)備需要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)及電刷等才能實(shí)現(xiàn)電能傳輸，電線(xiàn)易造成損壞危及操作人員的人身安全，此外礦井、加油站等對(duì)消防安全要求較高的場(chǎng)所中電線(xiàn)電纜連接不當(dāng)也會(huì)帶來(lái)的各種安全隱患【5一6】。綜上所述，為解決以上的問(wèn)題，避免人們?cè)谏a(chǎn)生活過(guò)程中造成不必要的人身財(cái)產(chǎn)損失，以及為人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)便利的目的，在眾多科學(xué)家及電氣工程師的不斷努力之下，無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1.1.1研究意義從特斯拉提出利用微波作為傳輸介質(zhì)這一設(shè)想之后，眾多工程師都對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，微波傳輸雖然可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，對(duì)于周?chē)h(huán)境破壞較大，而且對(duì)人體有一定傷害【7】。但這一設(shè)想為后來(lái)的無(wú)限能量傳輸研究打下了理論基礎(chǔ)，時(shí)至今日已經(jīng)得到了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在無(wú)限能量傳輸?shù)姆绞缴嫌辛撕艽蟮母镄屡c實(shí)際的運(yùn)用，比如美國(guó)的蘋(píng)果公司已經(jīng)研究出了可以無(wú)線(xiàn)充電的手機(jī)【8-13】，如圖1-1所示。圖1-1支持無(wú)線(xiàn)充電的手機(jī)如今無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)有很多不同的實(shí)現(xiàn)方式，而不同的方式之間也有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如圖1-2.其中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟、研究最為多的就是磁耦合式電能傳輸技術(shù)(ICPT,InductiveCoupledPowerTransfe)，這種無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)是以按照一定規(guī)律變化的磁場(chǎng)作為能量媒介進(jìn)行傳輸?shù)?，缺陷是傳輸效率不高，傳輸距離短，而且由于其本身傳播媒質(zhì)的原因磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)運(yùn)用中還會(huì)導(dǎo)致諸多不便，例如遇到金屬障礙物的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，降低傳輸效率，甚至損害設(shè)備，而且這種設(shè)備還有很大的外形限制，有著諸多不便仍然妨礙于實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，電場(chǎng)與磁場(chǎng)兩種場(chǎng)源在許多特性上具似性，而且在理論上也呈現(xiàn)出一定的對(duì)偶性，為解決磁場(chǎng)耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的諸多弊端【14-17】，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家開(kāi)始著手研究電場(chǎng)耦合線(xiàn)電能傳輸技術(shù)(ECPT，Electrical-fieldCoupledPowerTransfer)，也被稱(chēng)作電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸。ECPT相對(duì)于ICPT而言具有狠多優(yōu)點(diǎn)，它是利用極板作為電極，幾乎所有的電通量都通過(guò)極板，而且不受形狀的限制【18】；當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)之間或者周?chē)嬖诮饘傩晕镔|(zhì)時(shí)，不會(huì)引起導(dǎo)體產(chǎn)生渦流損耗【14】；在工作時(shí)電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的絕大部分電通量集中在電極之間【19】，故對(duì)周?chē)母蓴_小；當(dāng)兩個(gè)極板之間距離稍微的偏移或者錯(cuò)位時(shí)，不影響其工作狀態(tài)，尤其是自由度高的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的能量傳輸【20】；但是ECPT系統(tǒng)中可能會(huì)存在耦合機(jī)構(gòu)電壓高、效率相對(duì)較低現(xiàn)象，但是對(duì)于此情形可以通過(guò)增加系統(tǒng)的頻率或者改善系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)減少對(duì)外界環(huán)境的電場(chǎng)輻射來(lái)避免此現(xiàn)象出現(xiàn)，發(fā)揮該技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。ECPT可以解決ICPT技術(shù)中電磁干擾大、渦流損耗大等問(wèn)題，因此這使該技術(shù)具有很大的研究?jī)r(jià)值，不管是對(duì)電磁要求嚴(yán)格或是對(duì)發(fā)熱要求嚴(yán)格的領(lǐng)域都能有很好的表現(xiàn)。與此同時(shí)，由于其本身構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，也可以在目前國(guó)家大力扶植的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，由于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸具有諸多的弊端，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)很大的局限性，一直以來(lái)都是限制電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要的因素，而本文所研究的電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，針對(duì)此現(xiàn)象可以很好地改善當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的這一個(gè)問(wèn)題。因此，該技術(shù)將具有重要的科學(xué)意義以及廣闊的應(yīng)用刖景【21-28】。1.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析通過(guò)以上的看論述可知ECPT技術(shù)存在很多優(yōu)點(diǎn)，不論是從其系統(tǒng)本身而言，還是相比較目前廣泛應(yīng)用的ICPT技術(shù)而言，該技術(shù)都有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這也使得國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和工程師投入大量的精力去研究這項(xiàng)技術(shù)［29-31］。無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)倪@一技術(shù)，并不是最近才變得炙手可熱的，早在十九世紀(jì)末電磁感應(yīng)理論發(fā)展伊始，研究電磁學(xué)的工程師們就將電能的無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)作為自己的科學(xué)探索的目標(biāo)之一。1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一個(gè)線(xiàn)圈即使沒(méi)有通電的時(shí)候，只要它接近通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，那個(gè)沒(méi)有通電的線(xiàn)圈中也會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而點(diǎn)亮小燈泡。這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)己經(jīng)初具雛形。1891年，特斯拉在美國(guó)紐約通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)姆绞?，點(diǎn)亮了燈塔的電燈，并提出沃登克里弗塔的構(gòu)想，如圖1-3所示，從實(shí)際應(yīng)用的角度證明了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)目赡苄?。圖1-3特斯拉的無(wú)線(xiàn)充能實(shí)驗(yàn)和沃登克里弗塔設(shè)想美國(guó)威斯康星路德瓦大學(xué)學(xué)者利用流體力學(xué)的思想將電容耦合和流體動(dòng)力軸承組件進(jìn)行結(jié)合把靜止?fàn)顟B(tài)下的電源功率傳遞給旋轉(zhuǎn)的負(fù)載，使用超薄潤(rùn)滑劑作為電介質(zhì)，以確保高的功率密度，減少了趨附效應(yīng)，最終驗(yàn)證了此方式在功率傳輸方法具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)【15】。美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校電氣與能源環(huán)境工程系研究了一種電動(dòng)汽車(chē)充電的電容式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)【16】，此系統(tǒng)的工作頻率高達(dá)6.78MH,在此頻率下，該課題組研究了一種建模方法，此方法是將寄生電容的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化為匹配的等效網(wǎng)絡(luò)，其功率傳輸密度達(dá)到現(xiàn)在技術(shù)的四倍，最終可以傳輸589W的功率，功率傳輸密度達(dá)到19.6kW/m2o除上述研究團(tuán)隊(duì)之外，新加坡、德國(guó)等多個(gè)國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)也在為ECPT技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用進(jìn)行著不懈的努力。在該領(lǐng)域外國(guó)學(xué)者起步比我國(guó)早得多，而且國(guó)外的科研機(jī)構(gòu)相對(duì)于國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，不論從人力、財(cái)力和物力來(lái)講都存在很大優(yōu)勢(shì)，但國(guó)內(nèi)諸多電氣研究機(jī)構(gòu)也在該領(lǐng)域做出了很多成果，重慶大學(xué)電力電子控制工程研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)是我國(guó)在此領(lǐng)域的先驅(qū)。重慶大學(xué)在基于頻域分解的基礎(chǔ)上且不考慮補(bǔ)償?shù)那闆r下利GSSA方法和離散映射方法，將ECPT系統(tǒng)的非線(xiàn)性模型轉(zhuǎn)為連續(xù)性模型，建立H控制系統(tǒng)，提出平均功率平衡的控制方法，分析整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程；同時(shí)該課題組針對(duì)幾種常見(jiàn)的耦合機(jī)構(gòu)的靈活性不足問(wèn)題，提出了一種新型的耦合機(jī)構(gòu)；在耦合區(qū)域一定的情況下，以等效耦合電容最大為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，并且分析了耦合介質(zhì)、電極厚度對(duì)系統(tǒng)功率和效率的影響【33-34】。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在對(duì)ECPT基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研充中，發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸設(shè)備的輸出能力很大程度上取決于系統(tǒng)的工作頻率。針對(duì)此他們提出了E類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)方法。該方法具有效率高，制作成本低，調(diào)試簡(jiǎn)單的特點(diǎn)【35】。1.1.3論文研究的主要內(nèi)容目前針對(duì)電容耦合諧振技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，絕大部分都是從電容上進(jìn)行能量提取，而且調(diào)諧方式，補(bǔ)償方式以及傳輸機(jī)構(gòu)的幾何形狀這些方面都存在不盡人意的缺陷，針對(duì)以上問(wèn)題，本文將從電感上進(jìn)行能量拾取，設(shè)計(jì)高頻率的交流無(wú)線(xiàn)電能傳輸電源，針對(duì)失諧問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)用電容投切以及電感投切，解決耦合機(jī)構(gòu)因?yàn)榈刃щ娙葑兓荒芡耆C振的問(wèn)題。研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面：對(duì)電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，并介紹ECPT設(shè)備的基本組成構(gòu)件。建立該電路的等效模型，根據(jù)電路的基本知識(shí)以及電力電子技術(shù)的基本知識(shí)，進(jìn)行必要的化簡(jiǎn)，對(duì)不同的能量提取方式進(jìn)行理論推導(dǎo)，討論對(duì)比各種方法的優(yōu)劣，并擇優(yōu)選擇出最終實(shí)驗(yàn)方案，提出針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用電器充電的方法，并針對(duì)逆變電路中開(kāi)關(guān)管高速工作帶來(lái)的損耗及噪聲提出解決方案。確定能量提取方式之后，對(duì)本設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的參數(shù)選取，并對(duì)其阻抗特性，輸出特性等進(jìn)行必要的分析，得出本設(shè)計(jì)采用的拓?fù)潆娐返奶匦?。針?duì)ECPT設(shè)備存在失諧問(wèn)題，設(shè)計(jì)出解決方案，提出電容電感投切的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的目的，調(diào)諧方式的確定后，對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)諧的必要性做出論證，設(shè)計(jì)出具體的調(diào)諧方式，并應(yīng)用仿真軟件對(duì)此調(diào)諧方式做出仿真論證。第2章一種新型電容耦合諧振無(wú)限能量傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)被大量設(shè)計(jì)應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備中，但有諸多不足，例如傳輸效率不高、傳輸距離短、能量損耗大有可能產(chǎn)生渦流損耗等，這些缺點(diǎn)仍然沒(méi)有得到很好的解決。與此形成對(duì)比的是，電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)采用極板作為電極，不會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，電磁影響小。但相比之下，電容式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)處于起步階段，本文在基于無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)上，提出并改進(jìn)了一種新型的電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述了ECPT的原理，對(duì)ECPT的兩種能量提取方式分別進(jìn)行理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)分析以期獲得實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案。2.1ECPT無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)脑碓谀芰繜o(wú)線(xiàn)傳輸中，ICPT把磁場(chǎng)作為能量傳輸?shù)拿劫|(zhì)。本文希望采用電場(chǎng)作為能量傳輸?shù)拿浇椋艌?chǎng)的性質(zhì)與電場(chǎng)的性質(zhì)具有對(duì)偶性，并且二者的理論基礎(chǔ)都是依據(jù)基本的電磁現(xiàn)象。諧振現(xiàn)象存在于生活中的方方面面，本文將重點(diǎn)放在電路中諧振現(xiàn)象。電磁學(xué)中含有一個(gè)或多個(gè)電感電容的時(shí)不變電路上接入特定頻率的交流電,當(dāng)交流電的頻率與電容電感的固有頻率相一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。當(dāng)電路中通過(guò)頻率為3的交流電時(shí)，其電流瞬時(shí)值表達(dá)京】：(2-1)i=Isinco^(2-1)m電感這一參數(shù)指的是電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的能力，當(dāng)電感線(xiàn)圈中通以交流電流時(shí)，就會(huì)有磁通量流過(guò)線(xiàn)圈，并且通過(guò)的電流越大，磁通量就越大，產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)就越強(qiáng)；電容這一參數(shù)指的是，電容電極在相同的電位差下，所能容納電荷的能力，當(dāng)電荷置于電場(chǎng)之中時(shí)，電荷會(huì)在電場(chǎng)力的作用之下，發(fā)生定向的移動(dòng)，電荷最終會(huì)在極板上不斷地積累⑶*。電感流過(guò)的電流i以及電容兩端的電壓u符合以下一階微分方程表達(dá)式。(2—2)(2-3)du1.——=—IdtC(2—2)(2-3)di 1——=一一udt L

根據(jù)電感的能量?jī)?chǔ)存計(jì)算公式以及電容與電感之間存在的對(duì)偶性，可知電感中儲(chǔ)存的能量W以及電容中所儲(chǔ)存的能量W的計(jì)算公式為:L C1.(2-4)(2-5)W=—L/2sin2€t(2-4)(2-5)L2msin-90。)€C當(dāng)變化的電流通過(guò)獨(dú)立的電感元件和電容元件時(shí)，其兩個(gè)元件所存儲(chǔ)的能量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)電感和電容元件組成串聯(lián)或并聯(lián)電路時(shí)，把串聯(lián)電路或者并聯(lián)電路看成一個(gè)整體，如果其中一個(gè)元件在任意時(shí)刻的能量變化值恰好可以抵消另一個(gè)元件的能量變化值，能量在兩者之間的分布是均勻的，但兩者的總能量不發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為L(zhǎng)C諧振，諧振時(shí)電感與電容中的能量不斷進(jìn)行相互交換。利用這種諧振現(xiàn)象并且結(jié)合不同的電路結(jié)構(gòu)以無(wú)線(xiàn)方式將能量從電源端傳送到用電設(shè)備側(cè)，即實(shí)現(xiàn)所謂的無(wú)線(xiàn)能量傳輸。若系統(tǒng)要以高效率的傳輸能量，無(wú)論是電感式無(wú)線(xiàn)傳輸還是電容式無(wú)線(xiàn)傳輸，電路都需要滿(mǎn)足諧振頃44】。2.2對(duì)于新型ECPT能量提取方式的分析根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)間存在著較強(qiáng)的對(duì)偶的特性，因此從理論上來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)電場(chǎng)來(lái)傳輸能量，并且很多的研究機(jī)構(gòu)也將之實(shí)現(xiàn)，但其中大多數(shù)不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧，而且只能在固定的電容上提取能量，造成設(shè)備的效率不高，而且操作不是十分便利。針對(duì)電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸目前存在的諸多問(wèn)題，本文提出了一種優(yōu)化改進(jìn)的方案。圖2-1實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖由圖2-1所示，整個(gè)系統(tǒng)由電能輸入、整流濾波模塊、逆變模塊、耦合機(jī)構(gòu)、并聯(lián)耦合電容和線(xiàn)圈設(shè)備、整流濾波模塊、用電設(shè)備幾部分構(gòu)成。四塊極板構(gòu)成耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，通電后極板之間存在電場(chǎng)，A、

B兩極板發(fā)送電能，C、D兩極板接受電能，它們作為通道傳送電能，又因?yàn)锳、B極板和C、D基本之間沒(méi)有布置導(dǎo)線(xiàn)連接能夠?qū)崿F(xiàn)能量無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ?。通過(guò)對(duì)上述系統(tǒng)的分析，由此得到如圖2-2,一種新的無(wú)線(xiàn)能量傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)為能量無(wú)線(xiàn)傳輸提供了一種新的方案。圖2-2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整體電路圖2.2.1第一種能量提取方式圖2-3第一種能量提取方式 首先分析傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸方案，能量從電容上獲取。將左側(cè)整體作為一個(gè)高頻變頻器，輸出高頻交流；將右側(cè)的整流濾波電路作為一個(gè)負(fù)載交流電阻。在交流電源側(cè)串聯(lián)一個(gè)電感，其電阻值可以忽略。系統(tǒng)從電容上提取能量并通過(guò)電路將能量傳送給負(fù)載，化簡(jiǎn)電路圖如圖2-3所示。此方案需要在電源側(cè)串聯(lián)大電感，其電感值足夠抵償機(jī)構(gòu)的等效電容并使電路等效阻抗表現(xiàn)為感性，且并聯(lián)耦合端口的感抗大于容抗，在等效電容上提取能量。簡(jiǎn)化后電路如圖2-4所示。其中Ca等效與電容C1與C2串聯(lián)，Cf等效為電容C3和電感L3的并聯(lián)。圖2-4是簡(jiǎn)化后的第一種能量

提取方式。圖2-4簡(jiǎn)化后的第一種能量提取方式G=苫(2-6)c2 又因?yàn)椴⒙?lián)耦合電路若呈容性滿(mǎn)足感抗大于容抗，又有:€提取方式。圖2-4簡(jiǎn)化后的第一種能量提取方式G=苫(2-6)c2 又因?yàn)椴⒙?lián)耦合電路若呈容性滿(mǎn)足感抗大于容抗，又有:€2LC—1>033(2-7)2-8)則可將電路進(jìn)一步化簡(jiǎn)為電阻R串聯(lián)電容q，簡(jiǎn)化電路圖如圖2-5。圖2-5第一種能量提取方式等效電路圖此時(shí)等效電阻分得電壓為：設(shè)等效電阻R分壓為U°,由電路定理易得，串并聯(lián)等效電阻變換前后系統(tǒng)有功功率不變，等效電阻R吸收有功功率為：譬 (2-10)為了將系統(tǒng)的整體的效率提高，提高設(shè)備的傳輸性能，要使整個(gè)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，即電路的諧振頻率與咼頻電源的頻率相等，整個(gè)電路諧振的條件為：圖2-6第二種能量提取方式在電感上進(jìn)行能量提取，對(duì)器件的參數(shù)者一定的要求。即系統(tǒng)中并聯(lián)耦合側(cè)的感抗要小于并聯(lián)耦合側(cè)的容抗，并最終從并聯(lián)耦合側(cè)等效電感上提取能量，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的最終電路原理圖如下圖2-7所示。R1AC圖2-7第二種能量提取方式等效電路圖€2L2 k—TOC\o"1-5"\h\z八 €2L2(2-16)(2-(2-16)(2-17)RL k ‘ €2L1, kR2式中：Lk表耦合電容C3與電感L3并聯(lián)之后的等效電感，Ls表是最終等效串聯(lián)電感，R1表示最終等效的串聯(lián)電阻。則得到等效的串聯(lián)電阻R1上的電壓有效值與功率為：

L繡-J(2-18)1+——(2-18)' “ （2-19）通過(guò)上一節(jié)的敘述可知，統(tǒng)傳輸更多的有功功率，它發(fā)生串聯(lián)諧振的條件為:通過(guò)上一節(jié)的敘述可知，統(tǒng)傳輸更多的有功功率，它發(fā)生串聯(lián)諧振的條件為:1①2L2+R2①C （2-20）TOC\o"1-5"\h\zk s當(dāng)cs以及?已知的時(shí)候，可以確定出等效交流電阻的范圍，并得到最小值。這種情況下，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，整個(gè)電路所輸出的電壓及其功率為：ri )——wC(2-21)I(2-21)RLk'3 /RLk(2-22)根據(jù)上式可知，在頻率、輸入電壓和輸出功率確定時(shí)，可得并聯(lián)耦合機(jī)構(gòu)的等效電感Ls1的最小值，通過(guò)它對(duì)負(fù)載提供電能。在系統(tǒng)失諧時(shí)，可以通過(guò)對(duì)并聯(lián)側(cè)耦合電容C3進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)式（2-21）、式（2-22）可知，C調(diào)諧變化范圍：——1—(2-23)2(2-23)根據(jù)上式可知，在目標(biāo)的參數(shù)確定之后，不論耦合機(jī)構(gòu)的電容是怎樣變化的，其并聯(lián)側(cè)耦合電容的調(diào)諧范圍是固定的，這種情況下，通過(guò)系統(tǒng)中的并聯(lián)等效電感將電源所發(fā)出的能量以無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o負(fù)載。通過(guò)以上的數(shù)據(jù)可知，在諧振時(shí)這兩種能量提取方案的輸出功率是相同的；在工程實(shí)際中，不同的負(fù)載對(duì)應(yīng)的等效電容是不同的，對(duì)于第一種能量提取方式而言，要對(duì)不同的等效電容做出一定的電感補(bǔ)償，且改變電感的大小相對(duì)來(lái)說(shuō)不是十分方便；從調(diào)諧的范圍來(lái)看第一種方式和第二種方式相同，根據(jù)方案的可行性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及工程實(shí)際等多方面的考慮選擇第二種能量提取方式是恰當(dāng)?shù)?，故下文以此作為分析?duì)象。2.3針對(duì)旋轉(zhuǎn)電器的改進(jìn)由于充電設(shè)備的多樣性，用電器工作時(shí)可能存在旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，正方形的極板容易錯(cuò)位，不能完全對(duì)齊，即使能進(jìn)行能量傳輸，但是傳輸效率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)大打折扣，雖然可以通過(guò)調(diào)諧的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，但極板錯(cuò)位現(xiàn)象帶來(lái)的電容偏差是很大的，對(duì)調(diào)諧有一定難度，而且旋轉(zhuǎn)過(guò)快時(shí)，對(duì)調(diào)諧系統(tǒng)的調(diào)諧速度也是很大的考驗(yàn)。因此，為針對(duì)設(shè)備為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的情況，本文采用套筒式耦合機(jī)構(gòu)。此時(shí)，忽略其他因素影響，可將套筒式的模型看作是一個(gè)大的極板和一塊小的極板進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)內(nèi)外筒出現(xiàn)傾斜，即出現(xiàn)內(nèi)外筒壁非同軸現(xiàn)象時(shí),可看作是平行板電容器出現(xiàn)的極板之間的不平行現(xiàn)象，對(duì)電容值影響較小,此時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響可以忽略不計(jì)。2.4新型軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在ECPT系統(tǒng)工作時(shí)，逆變電路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出造成一些危害，首先是在進(jìn)行高頻逆變時(shí)開(kāi)關(guān)管會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗以及關(guān)斷損耗;其次在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)候會(huì)造成很大的開(kāi)關(guān)噪聲。由于本設(shè)計(jì)的要求之一是盡可能地提高電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膫鬏斝?，為了提高系統(tǒng)效率以及減少開(kāi)關(guān)噪聲降低電磁干擾，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們想要讓逆變模塊工作在軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，因此合理的軟開(kāi)關(guān)控制策略是十分必要的。電網(wǎng)諧振系統(tǒng)高頻逆變

電路電網(wǎng)諧振系統(tǒng)開(kāi)關(guān)管通斷控制 零檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路 控制芯片圖2-8ECPT逆變模塊軟開(kāi)關(guān)控制框圖如圖所示，本文采用了硬件控制的零電流開(kāi)關(guān)的策略，對(duì)流過(guò)電感L的電流進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，采集相關(guān)的電流的信號(hào)，對(duì)逆變模塊的開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使系統(tǒng)始終工作在軟開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)下。2.5本章小結(jié)為克服傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電方式的諸多弊端，本章節(jié)改進(jìn)一種新的無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式，首先對(duì)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)幕驹磉M(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述,其次介紹了電容耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)幕倦娐穲D，分析了其工作原理及其工作條件，然后，提出了兩種不同阻抗性質(zhì)的能量提取方案，并對(duì)二者能量提取方案進(jìn)行了分析推導(dǎo)，并分析其各自的特點(diǎn)，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行定性對(duì)比分析，選取第二種能量提取方式作為本文的最終實(shí)驗(yàn)方案供下文研究分析。針對(duì)旋轉(zhuǎn)充電機(jī)構(gòu)，提出套筒式耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)想，改善傳統(tǒng)平行板機(jī)構(gòu)在為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)充電時(shí)，出現(xiàn)的不完全對(duì)齊錯(cuò)位的情況，降低了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)錯(cuò)位時(shí)調(diào)諧的難度。第3章確定設(shè)計(jì)的基本參數(shù)及分析參數(shù)關(guān)系3.1確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)本章將對(duì)第二章中所提到的交流等效電阻、并聯(lián)耦合等效電感等重要器件進(jìn)行參數(shù)選取，設(shè)定其基本參數(shù)并對(duì)方案進(jìn)行原理驗(yàn)證，根據(jù)工程實(shí)際對(duì)系統(tǒng)的重要器件的參數(shù)進(jìn)行選取并仿真，并對(duì)其相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行必要的特性分析。在本方案中，設(shè)置其輸出功率為25W,其頻率設(shè)置為30KHz,交流電源輸入為220V有效值，其負(fù)載上的電壓也為220V,基本參數(shù)己經(jīng)確定，接下面來(lái)對(duì)并聯(lián)耦合電感Lsl以及等效電阻R進(jìn)行參數(shù)上的確定。3.1.1確定等效電阻參數(shù)上文中確定了在電感上進(jìn)行電能的提取。并聯(lián)耦合電容Cs有著重要的作用，首先第一個(gè)作用是它能夠在耦合機(jī)構(gòu)的等效電容發(fā)生波動(dòng)變化時(shí)候，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，從另一個(gè)方面看，由于電感在工程實(shí)際中不易調(diào)節(jié)，可以通過(guò)將并聯(lián)耦合電容Cs與電感進(jìn)行并聯(lián)，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的要求，并讓其最終呈現(xiàn)出感性。用一個(gè)并聯(lián)耦合電感L31等效來(lái)簡(jiǎn)化分析。高頻也電高頻也電圖3-1第二種能量提取方式等效后的電路圖將電路中所有器件看作理想型器件，忽略其各種寄生的參數(shù)，電能全部施加在交流電阻上，此時(shí)交流等效電阻R上得到的電壓以及其輸出功率都達(dá)到最大值，并且會(huì)有如下關(guān)系表達(dá)式：(3-1)€2L+R2,€2R2(3-1)sisis

si式3-1可以被看最為一個(gè)關(guān)于Lsl的一元二次方程，其存在兩個(gè)解，且輸出功率和等效電感LS1呈負(fù)相關(guān)，所以為了得到較高的輸出功率，求解出這兩個(gè)電感值，取二者之中較小的，因此可以得到：P=CU2 ssP=CU2 ss€CR— 2C2R2—4初始狀態(tài)時(shí)，兩極板可以看作為一個(gè)平行板電容器，可表達(dá)為:式中：8°表示為空氣介電常數(shù)，其值近似取值8.853X10-12F/m；S代表極板的面積，大小均為1m2；d為極板間距，大小為50mm。耦合機(jī)構(gòu)的等效電容Cs的電容值約為177pF。電路發(fā)生串聯(lián)諧振的情況下，輸出功率和等效電阻之間呈正相關(guān)，經(jīng)計(jì)算得到R的值為1057kQ,與之對(duì)應(yīng)的電壓是5.125kV，電流為4.48mA。3.1.2確定并聯(lián)側(cè)耦合電感參數(shù)該實(shí)驗(yàn)最重要的是從并聯(lián)耦合電感Ls1上進(jìn)行能量的提取，并將提取的能量提供給負(fù)載，電感的選取對(duì)輸出功率的大小有直接影響，根據(jù)式3-1可知電感Ls1為：根據(jù)計(jì)算得到R=1057kQ，經(jīng)計(jì)算可知并聯(lián)耦合電感Ls1約為0.3604H,通過(guò)的電流為0.11A，最終得到串聯(lián)等效電感為0.3601H。3.2系統(tǒng)輸出特效和調(diào)諧特性的分析確立了基本的元器件參數(shù)后，下面對(duì)系統(tǒng)的輸出特效及調(diào)諧特效進(jìn)行分析。3.2.1影響輸出的因素從整個(gè)系統(tǒng)上來(lái)看，其輸出特性有兩個(gè)重要的參考指標(biāo)，首先是系統(tǒng)的輸出電壓，其次是系統(tǒng)的輸出功率。首先來(lái)對(duì)其輸出功率進(jìn)行分析，通過(guò)上面的論述可知，決定系統(tǒng)的輸

出功率大小的影響因素很多，利用控制變量的方法去分析頻率、交流等效電阻R的大小對(duì)于輸出功率的影響，繪制三者之間的函數(shù)圖像，如下圖3-3所示：圖3-3圖3-3等效電阻、輸出功率、系統(tǒng)頻率的函數(shù)關(guān)系圖在圖3-3中可以直觀地看出，每一個(gè)功率的數(shù)值都會(huì)對(duì)應(yīng)著一個(gè)交流等效電阻數(shù)值及頻率的數(shù)值，即三者之間的函數(shù)有唯一解，在等效電容cs不變時(shí)，輸出功率與交流等效電阻及頻率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。下面對(duì)輸出電壓進(jìn)行分析，由控制變量法分析其在功率固定情況下及阻抗固定情況下的特點(diǎn)。（1）功率固定情況下根據(jù)本章第一節(jié)輸出功率以及輸出電壓之間的關(guān)系，在輸出功率一定的前提下，耦合機(jī)構(gòu)等效電容以及輸出電壓的前提下，耦合機(jī)構(gòu)等效電容以及輸出電壓U。之間存在如下關(guān)系:(3-6)本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的輸出功率為25W,分析在26KHz、28KHz、30KHz三個(gè)不同頻率下耦合機(jī)構(gòu)等效電容Cs以及輸出電壓U0的關(guān)系如下圖3-4

T3-啓泊1.5,耦合機(jī)構(gòu)等效電客簞位:F戰(zhàn)0T3-啓泊1.5,圖3-426KHz,28KHz,30KHz下輸出耦合機(jī)構(gòu)等效電容和電壓關(guān)系圖根據(jù)圖3-4可知，頻率固定時(shí)，在電路發(fā)生串聯(lián)諧振的時(shí)候，系統(tǒng)輸出電壓U。與耦合機(jī)構(gòu)等效電容C’之間呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，并且在耦合機(jī)構(gòu)等效電容非常小時(shí)，輸出的電壓極高，可能會(huì)出現(xiàn)將把空氣擊穿的現(xiàn)象；當(dāng)O’固定時(shí)，輸出電壓U。以及頻率之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì),可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率的方式來(lái)調(diào)節(jié)耦合機(jī)構(gòu)上的電壓。(2)阻抗固定情況下式為:調(diào)諧電容C3以及耦合機(jī)構(gòu)的等效電容O’都對(duì)輸出電壓以及有著重要的影響，當(dāng)電路發(fā)生諧振且并聯(lián)耦合側(cè)存在C3的時(shí)候，輸出電壓的表達(dá)式為:根據(jù)上式可知，當(dāng)?shù)刃щ娮璧拇笮?、頻率為定值的時(shí)候，并聯(lián)耦合電容、耦合機(jī)構(gòu)等效電容以及輸出電壓之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，繪制三者之間的函數(shù)關(guān)系圖像，如下圖3-5所示：

圖3-5耦合機(jī)構(gòu)的等效電容、輸出電壓、并聯(lián)側(cè)耦合電容的函數(shù)關(guān)系圖系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振，且在頻率以及交流等效電阻為定值的時(shí)候，輸出電壓和耦合機(jī)構(gòu)等效電容之間呈正相關(guān)；輸出電壓和并聯(lián)耦合電容之間呈負(fù)相關(guān)，即在在固定阻抗的情況之下，如要使輸出電壓恒定，可以通過(guò)對(duì)耦合機(jī)構(gòu)等效電容以及并聯(lián)耦合電容的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2.2影響調(diào)諧的因素1本文第二章說(shuō)明了，在系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)傳輸能力最強(qiáng)，效率最高，此時(shí)串聯(lián)諧振時(shí)，存在如下關(guān)系式：1①= 0 LsCs (3-8)式中：3。是工作系統(tǒng)頻率；Cs是耦合機(jī)構(gòu)等效電容，單位為F；Ls是串聯(lián)電路等效電感，單位為H。根據(jù)式3-10可知，耦合機(jī)構(gòu)等效電容Cs的變化會(huì)引起系統(tǒng)頻率的變化，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)頻率與電源頻率不匹配，即出現(xiàn)失諧狀態(tài)，并會(huì)對(duì)輸出電壓造成影響，因此在耦合機(jī)構(gòu)等效電容發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)該使用一些措施將其穩(wěn)定在諧振的狀態(tài)下。根據(jù)第一節(jié)可以了解到輸出電壓預(yù)計(jì)耦合機(jī)構(gòu)等效電容值之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，分析在26KHz、28KHz、30KHz三個(gè)不同頻率下耦合機(jī)構(gòu)等效電容Cs以及輸出電壓U0的關(guān)系，如下圖3-6所示：

6000期含機(jī)構(gòu)等致噌容車(chē)也:F6000期含機(jī)構(gòu)等致噌容車(chē)也:F圖3-626KHi、28KHi、30KHi下耦合機(jī)構(gòu)等效電容以及輸出電壓函數(shù)關(guān)系圖根據(jù)圖3-6可知，在頻率固定的前提下，輸出電壓與耦合機(jī)構(gòu)等效電容的函數(shù)關(guān)系中，圖像類(lèi)似于二次函數(shù)，輸出電壓存在極大值，此時(shí)即系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振的時(shí)候，但是系統(tǒng)會(huì)由于外界的因素，發(fā)生失諧的情況，即等效電容值與理想情況下諧振電容值偏移，為保證輸出的質(zhì)量，此時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，由于工程實(shí)際不可能達(dá)到理想狀態(tài)，只能使其接近于諧振點(diǎn)，即接近最大輸出電壓，引出下文第四章，通過(guò)優(yōu)化的調(diào)諧控制策略使之接近于諧振狀態(tài)的輸出。3.3本章小結(jié)本章首先根據(jù)現(xiàn)有條件確定了本設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，通過(guò)理論公式的分析、推導(dǎo)對(duì)交流等效電阻的參數(shù)做出了確定，并對(duì)并聯(lián)耦合等效電感的參數(shù)以及材質(zhì)的重要指標(biāo)進(jìn)行了確定，通過(guò)對(duì)相關(guān)公式的推導(dǎo)、分析、繪制相關(guān)函數(shù)圖像，通過(guò)控制變量的方法對(duì)系統(tǒng)的能量提取特性以及諧振工作特性做出了判斷，對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了描述和分析，對(duì)輸出功率以及輸出電壓兩大重要輸出參數(shù)的影響因素進(jìn)行了闡述和分析，為下一章奠定了基礎(chǔ)。第4章調(diào)諧方案的設(shè)計(jì)與分析通過(guò)第三章的論述可知，系統(tǒng)的輸出功率主要受耦合機(jī)構(gòu)的等效電容變化情況的影響，此時(shí)系統(tǒng)的輸出功率及電壓受到了極大的影響，保持系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，或者說(shuō)接近諧振狀態(tài)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電來(lái)講是十分重要的，所以調(diào)諧對(duì)于本設(shè)計(jì)而言是十分重要的，本章將會(huì)確定本設(shè)計(jì)的調(diào)諧方法，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。4.1調(diào)諧方法的確定對(duì)于一個(gè)實(shí)用可靠的調(diào)諧方式而言，讓系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地找到諧振點(diǎn)并讓其工作于諧振狀態(tài)使對(duì)它的基本要求，本文采用的是通過(guò)投切電容或者電感的形式實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的，這種方法的調(diào)諧使離散的，不連續(xù)的，但對(duì)其精度可以掌控，且控制方法簡(jiǎn)單，可以通過(guò)對(duì)耦合機(jī)構(gòu)等效電容的調(diào)節(jié)從而達(dá)到調(diào)諧的目的，可以基本滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求，由于是寫(xiě)的情況有可能是容性過(guò)小也可能是容性過(guò)大，因此需要同時(shí)加入電容及電感組，使其自動(dòng)調(diào)節(jié)，其示意圖如下圖4-1所示。圖4-1電容電感動(dòng)態(tài)調(diào)諧電路圖4.2設(shè)計(jì)調(diào)諧方案電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)工作在理想工作狀態(tài)，需要時(shí)刻讓系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，或者說(shuō)是盡可能地接近諧振狀態(tài)，因此調(diào)諧工作顯得格外的重要，以上述的動(dòng)態(tài)調(diào)諧方法為基礎(chǔ)結(jié)合相應(yīng)控制方法策略，可以有效地對(duì)耦合機(jī)構(gòu)等效電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧目的，使整個(gè)系統(tǒng)有更好更穩(wěn)定的輸出特性。

4.2.1設(shè)計(jì)投切電容電感組由于耦合機(jī)構(gòu)等效電容具有偶然性和時(shí)變性，本節(jié)將基于電容的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在并聯(lián)耦合電感側(cè)，采用多個(gè)電容以及電感并聯(lián)，通過(guò)對(duì)輸出端電壓的檢測(cè)，控制芯片對(duì)其進(jìn)行控制，讓電容電感組中電容過(guò)電感根據(jù)需求進(jìn)行投切，并最終得到所需匹配數(shù)值，以此來(lái)調(diào)節(jié)接入電路中等效電容大小，從而達(dá)到調(diào)諧的目的，其控制思想的結(jié)構(gòu)圖如下圖4-2所示。圖4-2調(diào)諧過(guò)程示意圖通過(guò)三級(jí)運(yùn)算放大器的方法降低電壓等級(jí)，第一個(gè)運(yùn)算放大器起到隔離作用，再?gòu)膫鞲衅鬏敵龅臅r(shí)候再介入一個(gè)相同大小的電阻，使之還原在經(jīng)過(guò)濾波后輸入到第二個(gè)運(yùn)算放大器中，第二個(gè)運(yùn)算放大器起到真正的降低電壓等級(jí)作用，第三個(gè)運(yùn)算放大器起到隔離作用，將輸出端的電壓采集到控制器芯片中，芯片根據(jù)對(duì)應(yīng)的算法控制投切相應(yīng)的補(bǔ)償或者電感電容,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近似的諧振的效果。設(shè)稱(chēng)合機(jī)構(gòu)等效電容為Cx，需要并聯(lián)耦合側(cè)的調(diào)諧電容投切為C3才能夠時(shí)系統(tǒng)近似發(fā)生諧振，令輸入電壓允許誤差為5%、在初始失諧商狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸出電壓U。對(duì)應(yīng)的角速度分別為3、3且有：TOC\o"1-5"\h\zU 1 2(4-1)CD-CD=2Acd(4-1)2 1①-A€=1-(4-2)2 卒 ((4-2)①+ \ (4-3)1 乓 (4-3)式中：C］和C2分別為3］以及32所對(duì)應(yīng)的電容值，單位為F。根據(jù)式4-1至式4-3可知，此帶寬內(nèi)允許的電容級(jí)差大小為:2C-CO,—1 2-2 (4-4)根據(jù)規(guī)定的允許的誤差范圍以及上式可知，電容的極差是3pF,電感極差為2mH,四路電容電感連接由二進(jìn)制編碼可知，總共可以組成除零狀態(tài)外的15種不同的容值或感值4.2.2設(shè)計(jì)投切電容電感組的電路控制投切電容的每個(gè)開(kāi)關(guān)之間都是相互獨(dú)立互不影響的，通過(guò)控制器芯片用二進(jìn)制編碼進(jìn)行控制，在本文中其硬件連接方式采用雙MOS管采用反串聯(lián)的方式構(gòu)成的，此外每個(gè)MOS管都反向并聯(lián)一個(gè)二極管，兩個(gè)MOS管受同一個(gè)控制信號(hào)控制，共15種二進(jìn)制編碼對(duì)應(yīng)15種不同容值?！鯥 JJI A十也制數(shù)8421碼電容值10(X)1Cl20010c230011Q+G40100Ci50101Ci+Ci601107011181D00c491001101010C2+C4111011121100Q+Q131101Cl+C3+C1141110Ct+Cy+C-151111圖4-3編碼對(duì)應(yīng)的等效電容值這種控制方法易于循環(huán)控制投切，不存在重復(fù)的情況，并且各個(gè)狀態(tài)之間極差相等其等效電容電感呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，易于控制【45】。與此同時(shí)，由于這種控制方法本身存在的局限性導(dǎo)致了輸出數(shù)值是離散的不連續(xù)的，精度上難以達(dá)到很高的水平，因此想要對(duì)電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)做出改進(jìn)，可以從投切電容電感的數(shù)量上進(jìn)行改善，以提高電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的調(diào)諧能力。4.2.3設(shè)計(jì)投切電容電感組的控制方法圖4-3投切電容電感組的控制方法流程圖基于上文的分析及結(jié)論，本設(shè)計(jì)將釆用逐級(jí)控制的算法對(duì)投切電容進(jìn)行控制。首先將表4-1中的15個(gè)非零電容值進(jìn)行由小到大的排列，每一個(gè)電容值對(duì)應(yīng)一個(gè)控制量。令Un+1以及Un為控制量，并且Un+1是Un下一個(gè)狀態(tài)的控制量,。當(dāng)Un<Un+1時(shí)，對(duì)flag取反。當(dāng)flag=O時(shí)，控制量在并聯(lián)耦合側(cè)的輸出電壓處降低一級(jí)電容或投入對(duì)應(yīng)的電感，控制量的表達(dá)式為：u=uG-1) (45)n+1nn V4-J)當(dāng)nag=l時(shí)，控制量在并聯(lián)耦合側(cè)的輸出電壓處升高一級(jí)電容或投出相應(yīng)的電感，控制量的表達(dá)式表示為：u=U(n+1) IQn+1nn (4-6)在諧振控制系統(tǒng)工作時(shí)，定義：初始狀態(tài)flag=O,并且定義flag=O是降低電容指令，flag=l是增加電容指令，U］是未投切電容或者電感時(shí)的電壓，II?是投切后的電壓，根據(jù)以上定義控制算法的流程與如圖4-3所示。4.3仿真與分析本小節(jié)將使用MathWorks公司出品的Matlab軟件中的Simulink硬件仿真平臺(tái)，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真，利用該平臺(tái)中的各個(gè)器件搭建整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，其仿真模型如圖4-4所示：圖4-4設(shè)計(jì)方案仿真模型系統(tǒng)接入220V交流電，經(jīng)過(guò)整流、逆變將高頻交流電輸入耦合機(jī)構(gòu),通過(guò)IdealSwitch來(lái)控制電容電感的變化切換，圖中V】至V4為四個(gè)MOS管，表示逆變橋，Bridge代表整流橋，投切控制指令由swtest引腳控制，開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合由sw引腳控制。4.3.1驗(yàn)證系統(tǒng)輸出根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，整個(gè)仿真電路可以近似地看作是一個(gè)RLC電路，在系統(tǒng)發(fā)生諧振的時(shí)候，30KH(基波導(dǎo)致諧振，與之對(duì)應(yīng)的高次諧波被電路抑制，最終輸出的諧振電流是和工作頻率相同頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，整流橋Bridge橋后的逆變部分用的是方波驅(qū)動(dòng)的方法，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要在此處添加驅(qū)動(dòng)電路，且這種波形可以被看作是基波與高次諧波的疊加組成的。4.3.2驗(yàn)證系統(tǒng)調(diào)諧當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)等效電容發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，需要投切電容以及電感來(lái)實(shí)現(xiàn)

調(diào)諧的目的，為了能夠?qū)⒄{(diào)諧的效果更加直觀地表現(xiàn)來(lái)，設(shè)置等效電容值為200pF的電容，在仿真軟件中運(yùn)行，輸出電壓的有效值及其瞬時(shí)值如下圖4-及圖4-6所示。8000k-&000600040002問(wèn)丿0-2000-4000-60001,0

O.-&000600040002問(wèn)丿0-2000-4000-60001,0