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)取電裝置隨著科學技術和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展、進步，無線能量傳輸技術由于其高效高能、安全環(huán)保、穩(wěn)定可靠、便攜的優(yōu)點為人們帶來了諸多便利，并得到了長足發(fā)展和廣泛應用。目前無線能量傳輸技術中，屬磁場耦合式無線能量傳輸應用最為廣泛，但磁耦合無線能量傳輸方式中存在線圈同軸性強、渦流損耗大、電磁干擾大等問題，這些弊端影響了這項技術的發(fā)展。為解決磁耦合式無線能量傳輸技術的弊端，本文提出了一種新型電容耦合諧振式無線能量傳輸方式。電容耦合式諧振無線能量傳輸，也被稱為電場耦合式無線能量傳輸技術，是一種針對磁耦合諧振式能量傳輸?shù)谋锥搜芯砍龅摹⒗秒娏﹄娮幼儞Q技術并結(jié)合現(xiàn)代控制理論研究的新型能量傳輸方式。本文首先基于所學電路理論和電力電子技術來分析電容耦合式無線能量傳輸技術的電路原理圖，由其電路原理圖及其重要性質(zhì)可以推導獲得一種可用之于電動汽車快速充電的電容耦合諧振式電網(wǎng)無線能量傳輸裝置的電路拓撲結(jié)構，對其電路中存在的兩種ECPT能量提取方案進行對比、討論，把最終實驗方案確定。其次，由于充電設備的多樣性，考慮旋轉(zhuǎn)機構用電器的充電方案；同時由于開關損耗、電磁干擾問題在設備運行時存在于高頻逆變模塊里，采用軟開關功能電器。最后，把重要部件的參數(shù)配置包括耦合機構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線電網(wǎng)取電裝置的輸出特點，本文通過MATLAB仿真來分析實驗方案的輸出功率、頻率及等效電阻之間的關系；為了驗證調(diào)諧電路的可行性，在SIMUINK平臺設計、仿真相應的電路。應用電容投電感切的方案補償耦合機構來針對失諧問題。關鍵詞無線能量傳輸；電容電感調(diào)諧；軟開關技術；電容耦合；動態(tài)調(diào)諧第1章緒論1.1課題背景科技技術自二十世紀以來得到巨大的發(fā)展，電氣化設備已經(jīng)普及現(xiàn)代社會，還在日益滲透人們生活的方方面面。人們對電能的要求不再僅局限于對電能的安全性及充足性，對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代限制未能實現(xiàn)的設想，逐一地變成了現(xiàn)實24】。二十世紀初期，著名的美國塞爾維亞裔電氣工程師尼古拉特斯拉提出了無線能量傳輸技術(WirelessPowerTransmissionTechnique)這一概念，無線能量傳輸技術是利用特殊的電氣設備將電源傳輸出來的電能經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)變成為電場能量的形式或者磁場能量的形式，從而實現(xiàn)在無電線、電纜連接情況下進行電能傳輸?shù)募夹g。無線能量傳輸這一技術在當今社會的許多方面可以得到廣泛的應用，極大地改善了人們生產(chǎn)生活中很多傳統(tǒng)電能傳輸方式帶來的不方便甚至安全隱患，如：高鐵以及大型吊車等移動設備需要通過導線及電刷等才能實現(xiàn)電能傳輸，電線易造成損壞危及操作人員的人身安全，此外礦井、加油站等對消防安全要求較高的場所中電線電纜連接不當也會帶來的各種安全隱患【5一6】。綜上所述，為解決以上的問題，避免人們在生產(chǎn)生活過程中造成不必要的人身財產(chǎn)損失，以及為人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷哪康?，在眾多科學家及電氣工程師的不斷努力之下，無線能量傳輸技術應運而生。1.1.1研究意義從特斯拉提出利用微波作為傳輸介質(zhì)這一設想之后，眾多工程師都對其進行了實驗論證，微波傳輸雖然可以實現(xiàn)遠距離的傳輸，對于周圍環(huán)境破壞較大，而且對人體有一定傷害【7】。但這一設想為后來的無限能量傳輸研究打下了理論基礎，時至今日已經(jīng)得到了實質(zhì)性的進展，在無限能量傳輸?shù)姆绞缴嫌辛撕艽蟮母镄屡c實際的運用，比如美國的蘋果公司已經(jīng)研究出了可以無線充電的手機【8-13】，如圖1-1所示。圖1-1支持無線充電的手機如今無線能量傳輸技術有很多不同的實現(xiàn)方式，而不同的方式之間也有各自不同的優(yōu)缺點，如圖1-2.其中應用最為廣泛、技術最為成熟、研究最為多的就是磁耦合式電能傳輸技術(ICPT,InductiveCoupledPowerTransfe)，這種無線能量傳輸技術是以按照一定規(guī)律變化的磁場作為能量媒介進行傳輸?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線能量傳輸技術運用中還會導致諸多不便，例如遇到金屬障礙物的時候會產(chǎn)生渦流損耗，降低傳輸效率，甚至損害設備，而且這種設備還有很大的外形限制，有著諸多不便仍然妨礙于實際應用。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，電場與磁場兩種場源在許多特性上具似性，而且在理論上也呈現(xiàn)出一定的對偶性，為解決磁場耦合諧振式無線能量傳輸技術的諸多弊端【14-17】，國內(nèi)外的許多專家開始著手研究電場耦合線電能傳輸技術(ECPT，Electrical-fieldCoupledPowerTransfer)，也被稱作電容耦合式無線能量傳輸。ECPT相對于ICPT而言具有狠多優(yōu)點，它是利用極板作為電極，幾乎所有的電通量都通過極板，而且不受形狀的限制【18】；當耦合機構之間或者周圍存在金屬性物質(zhì)時，不會引起導體產(chǎn)生渦流損耗【14】；在工作時電場耦合機構的絕大部分電通量集中在電極之間【19】，故對周圍的干擾小；當兩個極板之間距離稍微的偏移或者錯位時，不影響其工作狀態(tài)，尤其是自由度高的特點可以實現(xiàn)“一對多”的能量傳輸【20】；但是ECPT系統(tǒng)中可能會存在耦合機構電壓高、效率相對較低現(xiàn)象，但是對于此情形可以通過增加系統(tǒng)的頻率或者改善系統(tǒng)的耦合機構減少對外界環(huán)境的電場輻射來避免此現(xiàn)象出現(xiàn)，發(fā)揮該技術獨特的優(yōu)點。ECPT可以解決ICPT技術中電磁干擾大、渦流損耗大等問題，因此這使該技術具有很大的研究價值，不管是對電磁要求嚴格或是對發(fā)熱要求嚴格的領域都能有很好的表現(xiàn)。與此同時，由于其本身構造的優(yōu)勢，也可以在目前國家大力扶植的電動汽車產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應用，由于磁耦合諧振式無線能量傳輸具有諸多的弊端，應用于電動汽車的充電時很大的局限性，一直以來都是限制電動汽車發(fā)展的一個重要的因素，而本文所研究的電場耦合式無線電能傳輸技術，針對此現(xiàn)象可以很好地改善當前電動汽車領域的這一個問題。因此，該技術將具有重要的科學意義以及廣闊的應用刖景【21-28】。1.1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析通過以上的看論述可知ECPT技術存在很多優(yōu)點，不論是從其系統(tǒng)本身而言，還是相比較目前廣泛應用的ICPT技術而言，該技術都有不可替代的技術優(yōu)勢。這也使得國內(nèi)外很多學者和工程師投入大量的精力去研究這項技術［29-31］。無線能量傳輸?shù)倪@一技術，并不是最近才變得炙手可熱的，早在十九世紀末電磁感應理論發(fā)展伊始，研究電磁學的工程師們就將電能的無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)作為自己的科學探索的目標之一。1831年，英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)：當一個線圈即使沒有通電的時候，只要它接近通電線圈產(chǎn)生的磁場時，那個沒有通電的線圈中也會產(chǎn)生電流，進而點亮小燈泡。這種現(xiàn)象被稱之為電磁感應現(xiàn)象，無線充電技術己經(jīng)初具雛形。1891年，特斯拉在美國紐約通過無線能量傳輸?shù)姆绞?，點亮了燈塔的電燈，并提出沃登克里弗塔的構想，如圖1-3所示，從實際應用的角度證明了無線電能傳輸?shù)目赡苄浴D1-3特斯拉的無線充能實驗和沃登克里弗塔設想美國威斯康星路德瓦大學學者利用流體力學的思想將電容耦合和流體動力軸承組件進行結(jié)合把靜止狀態(tài)下的電源功率傳遞給旋轉(zhuǎn)的負載，使用超薄潤滑劑作為電介質(zhì)，以確保高的功率密度，減少了趨附效應，最終驗證了此方式在功率傳輸方法具有競爭優(yōu)勢【15】。美國科羅拉多大學博爾德分校電氣與能源環(huán)境工程系研究了一種電動汽車充電的電容式無線電能傳輸系統(tǒng)【16】，此系統(tǒng)的工作頻率高達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雜網(wǎng)絡進行簡化為匹配的等效網(wǎng)絡，其功率傳輸密度達到現(xiàn)在技術的四倍，最終可以傳輸589W的功率，功率傳輸密度達到19.6kW/m2o除上述研究團隊之外，新加坡、德國等多個國外的研究團隊也在為ECPT技術的發(fā)展與運用進行著不懈的努力。在該領域外國學者起步比我國早得多，而且國外的科研機構相對于國內(nèi)的科研機構來說，不論從人力、財力和物力來講都存在很大優(yōu)勢，但國內(nèi)諸多電氣研究機構也在該領域做出了很多成果，重慶大學電力電子控制工程研究所、中國科學院大學是我國在此領域的先驅(qū)。重慶大學在基于頻域分解的基礎上且不考慮補償?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，分析整個系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程；同時該課題組針對幾種常見的耦合機構的靈活性不足問題，提出了一種新型的耦合機構；在耦合區(qū)域一定的情況下，以等效耦合電容最大為目標函數(shù)進行了參數(shù)優(yōu)化，并且分析了耦合介質(zhì)、電極厚度對系統(tǒng)功率和效率的影響【33-34】。中國科學院大學在對ECPT基本的電路拓撲結(jié)構的研充中，發(fā)現(xiàn)無線能量傳輸設備的輸出能力很大程度上取決于系統(tǒng)的工作頻率。針對此他們提出了E類放大器的設計方法。該方法具有效率高，制作成本低，調(diào)試簡單的特點【35】。1.1.3論文研究的主要內(nèi)容目前針對電容耦合諧振技術的發(fā)現(xiàn)，絕大部分都是從電容上進行能量提取，而且調(diào)諧方式，補償方式以及傳輸機構的幾何形狀這些方面都存在不盡人意的缺陷，針對以上問題，本文將從電感上進行能量拾取，設計高頻率的交流無線電能傳輸電源，針對失諧問題，同時應用電容投切以及電感投切，解決耦合機構因為等效電容變化而不能完全諧振的問題。研究內(nèi)容包括如下幾個方面：對電容耦合式無線能量傳輸電路拓撲結(jié)構進行理論分析，并介紹ECPT設備的基本組成構件。建立該電路的等效模型，根據(jù)電路的基本知識以及電力電子技術的基本知識，進行必要的化簡，對不同的能量提取方式進行理論推導，討論對比各種方法的優(yōu)劣，并擇優(yōu)選擇出最終實驗方案，提出針對旋轉(zhuǎn)機構用電器充電的方法，并針對逆變電路中開關管高速工作帶來的損耗及噪聲提出解決方案。確定能量提取方式之后，對本設計的耦合機構進行必要的參數(shù)選取，并對其阻抗特性，輸出特性等進行必要的分析，得出本設計采用的拓撲電路的特性。針對ECPT設備存在失諧問題，設計出解決方案，提出電容電感投切的方法實現(xiàn)調(diào)諧的目的，調(diào)諧方式的確定后，對設計調(diào)諧的必要性做出論證，設計出具體的調(diào)諧方式，并應用仿真軟件對此調(diào)諧方式做出仿真論證。第2章一種新型電容耦合諧振無限能量傳輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構設計磁耦合諧振式無線能量傳輸技術被大量設計應用在電動汽車無線充電設備中，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，這些缺點仍然沒有得到很好的解決。與此形成對比的是，電容耦合諧振式無線能量傳輸技術采用極板作為電極，不會產(chǎn)生渦流損耗，電磁影響小。但相比之下，電容式無線能量傳輸技術處于起步階段，本文在基于無線能量傳輸?shù)睦碚摶A上，提出并改進了一種新型的電容耦合諧振式無線能量傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構，闡述了ECPT的原理，對ECPT的兩種能量提取方式分別進行理論推導及數(shù)學分析以期獲得實驗的最優(yōu)方案。2.1ECPT無線能量傳輸?shù)脑碓谀芰繜o線傳輸中，ICPT把磁場作為能量傳輸?shù)拿劫|(zhì)。本文希望采用電場作為能量傳輸?shù)拿浇?，而磁場的性質(zhì)與電場的性質(zhì)具有對偶性，并且二者的理論基礎都是依據(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，本文將重點放在電路中諧振現(xiàn)象。電磁學中含有一個或多個電感電容的時不變電路上接入特定頻率的交流電,當交流電的頻率與電容電感的固有頻率相一致時，就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。當電路中通過頻率為3的交流電時，其電流瞬時值表達京】：(2-1)i=Isinco^(2-1)m電感這一參數(shù)指的是電感線圈中產(chǎn)生電磁感應的能力，當電感線圈中通以交流電流時，就會有磁通量流過線圈，并且通過的電流越大，磁通量就越大，產(chǎn)生的場強就越強；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，當電荷置于電場之中時，電荷會在電場力的作用之下，發(fā)生定向的移動，電荷最終會在極板上不斷地積累⑶*。電感流過的電流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)電感的能量儲存計算公式以及電容與電感之間存在的對偶性，可知電感中儲存的能量W以及電容中所儲存的能量W的計算公式為:L C1.(2-4)(2-5)W=—L/2sin2€t(2-4)(2-5)L2msin-90。)€C當變化的電流通過獨立的電感元件和電容元件時，其兩個元件所存儲的能量會發(fā)生相應的變化。當電感和電容元件組成串聯(lián)或并聯(lián)電路時，把串聯(lián)電路或者并聯(lián)電路看成一個整體，如果其中一個元件在任意時刻的能量變化值恰好可以抵消另一個元件的能量變化值，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)象稱為LC諧振，諧振時電感與電容中的能量不斷進行相互交換。利用這種諧振現(xiàn)象并且結(jié)合不同的電路結(jié)構以無線方式將能量從電源端傳送到用電設備側(cè)，即實現(xiàn)所謂的無線能量傳輸。若系統(tǒng)要以高效率的傳輸能量，無論是電感式無線傳輸還是電容式無線傳輸，電路都需要滿足諧振頃44】。2.2對于新型ECPT能量提取方式的分析根據(jù)電場和磁場間存在著較強的對偶的特性，因此從理論上來說，可以通過電場來傳輸能量，并且很多的研究機構也將之實現(xiàn)，但其中大多數(shù)不能實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)諧，而且只能在固定的電容上提取能量，造成設備的效率不高，而且操作不是十分便利。針對電容耦合式無線能量傳輸目前存在的諸多問題，本文提出了一種優(yōu)化改進的方案。圖2-1實驗結(jié)構示意圖由圖2-1所示，整個系統(tǒng)由電能輸入、整流濾波模塊、逆變模塊、耦合機構、并聯(lián)耦合電容和線圈設備、整流濾波模塊、用電設備幾部分構成。四塊極板構成耦合機構實現(xiàn)能量的傳輸，通電后極板之間存在電場，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，又因為A、B極板和C、D基本之間沒有布置導線連接能夠?qū)崿F(xiàn)能量無線傳輸?shù)墓δ?。通過對上述系統(tǒng)的分析，由此得到如圖2-2,一種新的無線能量傳輸拓撲結(jié)構。新設計相比于傳統(tǒng)的電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)為能量無線傳輸提供了一種新的方案。圖2-2實驗設計整體電路圖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)的無線傳輸方案，能量從電容上獲取。將左側(cè)整體作為一個高頻變頻器，輸出高頻交流；將右側(cè)的整流濾波電路作為一個負載交流電阻。在交流電源側(cè)串聯(lián)一個電感，其電阻值可以忽略。系統(tǒng)從電容上提取能量并通過電路將能量傳送給負載，化簡電路圖如圖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構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是簡化后的第一種能量

提取方式。圖2-4簡化后的第一種能量提取方式G=苫(2-6)c2 又因為并聯(lián)耦合電路若呈容性滿足感抗大于容抗，又有:€提取方式。圖2-4簡化后的第一種能量提取方式G=苫(2-6)c2 又因為并聯(lián)耦合電路若呈容性滿足感抗大于容抗，又有:€2LC—1>033(2-7)2-8)則可將電路進一步化簡為電阻R串聯(lián)電容q，簡化電路圖如圖2-5。圖2-5第一種能量提取方式等效電路圖此時等效電阻分得電壓為：設等效電阻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，提高設備的傳輸性能，要使整個電路發(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行能量提取，對器件的參數(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)過簡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cs以及?已知的時候，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，當發(fā)生串聯(lián)諧振時，整個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，可得并聯(lián)耦合機構的等效電感Ls1的最小值，通過它對負載提供電能。在系統(tǒng)失諧時，可以通過對并聯(lián)側(cè)耦合電容C3進行調(diào)節(jié)，通過式（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，在目標的參數(shù)確定之后，不論耦合機構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，通過系統(tǒng)中的并聯(lián)等效電感將電源所發(fā)出的能量以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o負載。通過以上的數(shù)據(jù)可知，在諧振時這兩種能量提取方案的輸出功率是相同的；在工程實際中，不同的負載對應的等效電容是不同的，對于第一種能量提取方式而言，要對不同的等效電容做出一定的電感補償，且改變電感的大小相對來說不是十分方便；從調(diào)諧的范圍來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)定性以及工程實際等多方面的考慮選擇第二種能量提取方式是恰當?shù)模氏挛囊源俗鳛榉治鰧ο蟆?.3針對旋轉(zhuǎn)電器的改進由于充電設備的多樣性，用電器工作時可能存在旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，正方形的極板容易錯位，不能完全對齊，即使能進行能量傳輸，但是傳輸效率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性會大打折扣，雖然可以通過調(diào)諧的方法來對其進行調(diào)節(jié)，但極板錯位現(xiàn)象帶來的電容偏差是很大的，對調(diào)諧有一定難度，而且旋轉(zhuǎn)過快時，對調(diào)諧系統(tǒng)的調(diào)諧速度也是很大的考驗。因此，為針對設備為旋轉(zhuǎn)機構的情況，本文采用套筒式耦合機構。此時，忽略其他因素影響，可將套筒式的模型看作是一個大的極板和一塊小的極板進行能量傳輸。當內(nèi)外筒出現(xiàn)傾斜，即出現(xiàn)內(nèi)外筒壁非同軸現(xiàn)象時,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，對電容值影響較小,此時對系統(tǒng)輸出的影響可以忽略不計。2.4新型軟開關設計在ECPT系統(tǒng)工作時，逆變電路中開關管的開斷會對系統(tǒng)的輸出造成一些危害，首先是在進行高頻逆變時開關管會產(chǎn)生開通損耗以及關斷損耗;其次在開關管開通和關斷的時候會造成很大的開關噪聲。由于本設計的要求之一是盡可能地提高電容耦合式無線能量傳輸?shù)膫鬏斝?，為了提高系統(tǒng)效率以及減少開關噪聲降低電磁干擾，在設計電路時，我們想要讓逆變模塊工作在軟開關的狀態(tài)下，因此合理的軟開關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)開關管通斷控制 零檢測驅(qū)動電路 控制芯片圖2-8ECPT逆變模塊軟開關控制框圖如圖所示，本文采用了硬件控制的零電流開關的策略，對流過電感L的電流進行過零檢測，采集相關的電流的信號，對逆變模塊的開關管的驅(qū)動信號進行調(diào)節(jié)，從而達到使系統(tǒng)始終工作在軟開關的工作狀態(tài)下。2.5本章小結(jié)為克服傳統(tǒng)的電動汽車無線充電方式的諸多弊端，本章節(jié)改進一種新的無線能量傳輸方式，首先對無線能量傳輸?shù)幕驹磉M行了簡要的闡述,其次介紹了電容耦合諧振式無線能量傳輸?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，并對二者能量提取方案進行了分析推導，并分析其各自的特點，根據(jù)工程實際進行定性對比分析，選取第二種能量提取方式作為本文的最終實驗方案供下文研究分析。針對旋轉(zhuǎn)充電機構，提出套筒式耦合機構的設想，改善傳統(tǒng)平行板機構在為旋轉(zhuǎn)機構充電時，出現(xiàn)的不完全對齊錯位的情況，降低了旋轉(zhuǎn)機構錯位時調(diào)諧的難度。第3章確定設計的基本參數(shù)及分析參數(shù)關系3.1確定實驗參數(shù)本章將對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行參數(shù)選取，設定其基本參數(shù)并對方案進行原理驗證，根據(jù)工程實際對系統(tǒng)的重要器件的參數(shù)進行選取并仿真，并對其相關的重要參數(shù)進行必要的特性分析。在本方案中，設置其輸出功率為25W,其頻率設置為30KHz,交流電源輸入為220V有效值，其負載上的電壓也為220V,基本參數(shù)己經(jīng)確定，接下面來對并聯(lián)耦合電感Lsl以及等效電阻R進行參數(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，首先第一個作用是它能夠在耦合機構的等效電容發(fā)生波動變化時候，對其進行調(diào)節(jié)，從另一個方面看，由于電感在工程實際中不易調(diào)節(jié)，可以通過將并聯(lián)耦合電容Cs與電感進行并聯(lián)，對其進行補償來實現(xiàn)實驗的要求，并讓其最終呈現(xiàn)出感性。用一個并聯(lián)耦合電感L31等效來簡化分析。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，此時交流等效電阻R上得到的電壓以及其輸出功率都達到最大值，并且會有如下關系表達式：(3-1)€2L+R2,€2R2(3-1)sisis

si式3-1可以被看最為一個關于Lsl的一元二次方程，其存在兩個解，且輸出功率和等效電感LS1呈負相關，所以為了得到較高的輸出功率，求解出這兩個電感值，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，兩極板可以看作為一個平行板電容器，可表達為: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。耦合機構的等效電容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，經(jīng)計算得到R的值為1057kQ,與之對應的電壓是5.125kV，電流為4.48mA。3.1.2確定并聯(lián)側(cè)耦合電感參數(shù)該實驗最重要的是從并聯(lián)耦合電感Ls1上進行能量的提取，并將提取的能量提供給負載，電感的選取對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)計算得到R=1057kQ，經(jīng)計算可知并聯(lián)耦合電感Ls1約為0.3604H,通過的電流為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，下面對系統(tǒng)的輸出特效及調(diào)諧特效進行分析。3.2.1影響輸出的因素從整個系統(tǒng)上來看，其輸出特性有兩個重要的參考指標，首先是系統(tǒng)的輸出電壓，其次是系統(tǒng)的輸出功率。首先來對其輸出功率進行分析，通過上面的論述可知，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)關系圖在圖3-3中可以直觀地看出，每一個功率的數(shù)值都會對應著一個交流等效電阻數(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，輸出功率與交流等效電阻及頻率呈現(xiàn)正相關關系。下面對輸出電壓進行分析，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。（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系，在輸出功率一定的前提下，耦合機構等效電容以及輸出電壓的前提下，耦合機構等效電容以及輸出電壓U。之間存在如下關系:(3-6)本設計設計的輸出功率為25W,分析在26KHz、28KHz、30KHz三個不同頻率下耦合機構等效電容Cs以及輸出電壓U0的關系如下圖3-4

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

圖3-5耦合機構的等效電容、輸出電壓、并聯(lián)側(cè)耦合電容的函數(shù)關系圖系統(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候，輸出電壓和耦合機構等效電容之間呈正相關；輸出電壓和并聯(lián)耦合電容之間呈負相關，即在在固定阻抗的情況之下，如要使輸出電壓恒定，可以通過對耦合機構等效電容以及并聯(lián)耦合電容的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。3.2.2影響調(diào)諧的因素1本文第二章說明了，在系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振的時候，整個系統(tǒng)傳輸能力最強，效率最高，此時串聯(lián)諧振時，存在如下關系式：1①= 0 LsCs (3-8)式中：3。是工作系統(tǒng)頻率；Cs是耦合機構等效電容，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，耦合機構等效電容Cs的變化會引起系統(tǒng)頻率的變化，導致整個系統(tǒng)頻率與電源頻率不匹配，即出現(xiàn)失諧狀態(tài)，并會對輸出電壓造成影響，因此在耦合機構等效電容發(fā)生變化時，應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計耦合機構等效電容值之間存在一定的函數(shù)關系，分析在26KHz、28KHz、30KHz三個不同頻率下耦合機構等效電容Cs以及輸出電壓U0的關系，如下圖3-6所示：

6000期含機構等致噌容車也:F6000期含機構等致噌容車也:F圖3-626KHi、28KHi、30KHi下耦合機構等效電容以及輸出電壓函數(shù)關系圖根據(jù)圖3-6可知，在頻率固定的前提下，輸出電壓與耦合機構等效電容的函數(shù)關系中，圖像類似于二次函數(shù)，輸出電壓存在極大值，此時即系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振的時候，但是系統(tǒng)會由于外界的因素，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，此時需要對系統(tǒng)進行必要的調(diào)節(jié)，由于工程實際不可能達到理想狀態(tài)，只能使其接近于諧振點，即接近最大輸出電壓，引出下文第四章，通過優(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)有條件確定了本設計的基本參數(shù)，通過理論公式的分析、推導對交流等效電阻的參數(shù)做出了確定，并對并聯(lián)耦合等效電感的參數(shù)以及材質(zhì)的重要指標進行了確定，通過對相關公式的推導、分析、繪制相關函數(shù)圖像，通過控制變量的方法對系統(tǒng)的能量提取特性以及諧振工作特性做出了判斷，對系統(tǒng)的特點進行了描述和分析，對輸出功率以及輸出電壓兩大重要輸出參數(shù)的影響因素進行了闡述和分析，為下一章奠定了基礎。第4章調(diào)諧方案的設計與分析通過第三章的論述可知，系統(tǒng)的輸出功率主要受耦合機構的等效電容變化情況的影響，此時系統(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)，或者說接近諧振狀態(tài)對于電動汽車充電來講是十分重要的，所以調(diào)諧對于本設計而言是十分重要的，本章將會確定本設計的調(diào)諧方法，并對其進行仿真驗證。4.1調(diào)諧方法的確定對于一個實用可靠的調(diào)諧方式而言，讓系統(tǒng)快速準確地找到諧振點并讓其工作于諧振狀態(tài)使對它的基本要求，本文采用的是通過投切電容或者電感的形式實現(xiàn)調(diào)諧的，這種方法的調(diào)諧使離散的，不連續(xù)的，但對其精度可以掌控，且控制方法簡單，可以通過對耦合機構等效電容的調(diào)節(jié)從而達到調(diào)諧的目的，可以基本滿足本設計的需求，由于是寫的情況有可能是容性過小也可能是容性過大，因此需要同時加入電容及電感組，使其自動調(diào)節(jié)，其示意圖如下圖4-1所示。圖4-1電容電感動態(tài)調(diào)諧電路圖4.2設計調(diào)諧方案電容耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)工作在理想工作狀態(tài)，需要時刻讓系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，或者說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，以上述的動態(tài)調(diào)諧方法為基礎結(jié)合相應控制方法策略，可以有效地對耦合機構等效電容進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)諧目的，使整個系統(tǒng)有更好更穩(wěn)定的輸出特性。

4.2.1設計投切電容電感組由于耦合機構等效電容具有偶然性和時變性，本節(jié)將基于電容的動態(tài)調(diào)節(jié)方式對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，在并聯(lián)耦合電感側(cè)，采用多個電容以及電感并聯(lián)，通過對輸出端電壓的檢測，控制芯片對其進行控制，讓電容電感組中電容過電感根據(jù)需求進行投切，并最終得到所需匹配數(shù)值，以此來調(diào)節(jié)接入電路中等效電容大小，從而達到調(diào)諧的目的，其控制思想的結(jié)構圖如下圖4-2所示。圖4-2調(diào)諧過程示意圖通過三級運算放大器的方法降低電壓等級，第一個運算放大器起到隔離作用，再從傳感器輸出的時候再介入一個相同大小的電阻，使之還原在經(jīng)過濾波后輸入到第二個運算放大器中，第二個運算放大器起到真正的降低電壓等級作用，第三個運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)對應的算法控制投切相應的補償或者電感電容,進而實現(xiàn)近似的諧振的效果。設稱合機構等效電容為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)下對應的輸出電壓U。對應的角速度分別為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所對應的電容值，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設計投切電容電感組的電路控制投切電容的每個開關之間都是相互獨立互不影響的，通過控制器芯片用二進制編碼進行控制，在本文中其硬件連接方式采用雙MOS管采用反串聯(lián)的方式構成的，此外每個MOS管都反向并聯(lián)一個二極管，兩個MOS管受同一個控制信號控制，共15種二進制編碼對應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編碼對應的等效電容值這種控制方法易于循環(huán)控制投切，不存在重復的情況，并且各個狀態(tài)之間極差相等其等效電容電感呈現(xiàn)出正比例關系，易于控制【45】。與此同時，由于這種控制方法本身存在的局限性導致了輸出數(shù)值是離散的不連續(xù)的，精度上難以達到很高的水平，因此想要對電容耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)做出改進，可以從投切電容電感的數(shù)量上進行改善，以提高電容耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)的調(diào)諧能力。4.2.3設計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，本設計將釆用逐級控制的算法對投切電容進行控制。首先將表4-1中的15個非零電容值進行由小到大的排列，每一個電容值對應一個控制量。令Un+1以及Un為控制量，并且Un+1是Un下一個狀態(tài)的控制量,。當Un<Un+1時，對flag取反。當flag=O時，控制量在并聯(lián)耦合側(cè)的輸出電壓處降低一級電容或投入對應的電感，控制量的表達式為：u=uG-1) (45)n+1nn V4-J)當nag=l時，控制量在并聯(lián)耦合側(cè)的輸出電壓處升高一級電容或投出相應的電感，控制量的表達式表示為：u=U(n+1) IQn+1nn (4-6)在諧振控制系統(tǒng)工作時，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，對本設計進行模擬仿真，利用該平臺中的各個器件搭建整個系統(tǒng)的仿真模型，其仿真模型如圖4-4所示：圖4-4設計方案仿真模型系統(tǒng)接入220V交流電，經(jīng)過整流、逆變將高頻交流電輸入耦合機構,通過IdealSwitch來控制電容電感的變化切換，圖中V】至V4為四個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，開關的斷開和閉合由sw引腳控制。4.3.1驗證系統(tǒng)輸出根據(jù)系統(tǒng)的運行情況，整個仿真電路可以近似地看作是一個RLC電路，在系統(tǒng)發(fā)生諧振的時候，30KH(基波導致諧振，與之對應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準正弦波，整流橋Bridge橋后的逆變部分用的是方波驅(qū)動的方法，在實際的應用中，需要在此處添加驅(qū)動電路，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驗證系統(tǒng)調(diào)諧當耦合機構等效電容發(fā)生波動的時候，需要投切電容以及電感來實現(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，設置等效電容值為200pF的電容，在仿真軟件中運行，輸出電壓的有效值及其瞬時值如下圖4-及圖4-6所示。8000k-&000600040002問丿0-2000-4000-60001,0

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