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摘要
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术是一种将电能转换为其他形式
的能量,然后将其他形式的能量转化为电能并为电气设备供电的技术。其现在已广泛应
用于交通工程、生物医疗、航天科技等领域。与传统的通过导线接触的插拔式充电技术
相比,WPT技术可以通过空气间隙实现能量传递,具备安全、美观、电气隔离等优势。
目前,与负载无关的恒流(ConstantCurrent,CC)输出特性及其高功率应用是WPT技
术研究的重点。然而,现有的恒流型WPT系统存在输出电流受到松耦合变压器(Loose
CouplingTransformer,LCT)参数限制,接收机体积大,开发成本高等问题。而对于高
功率应用,当前大多数传统的高功率WPT系统存在半导体功率等级低、系统紧凑性不
足以及由于线圈间额外的交叉耦合而导致系统设计困难等问题。为此,本文提出了一种
新的低成本恒流型WPT系统及其功率提升方法,主要包括以下几项:
(1)首先分析了国内外典型的恒流型WPT系统,总结了其存在的问题和不足。针
对以上问题,提出了一种新的低成本恒流型WPT系统,该系统采用CLC/N补偿结构,
消除了接收侧的补偿元件,确保了接收侧的紧凑性,节省了成本。此外,讨论了满足其
CC输出和ZPA运行的条件。通过3D-Maxwell软件进行磁场建模以确定其自感和互感
等电路参数。并提供补偿参数的设计方法以说明输出电流不受LCT参数约束的特性。
同时又分析了零电压开关(Zerovoltageswitch,ZVS)运行的可行性以及补偿元件对输
出电流变化的敏感性。最后,对比了国内外典型的恒流型补偿结构以体现所提系统的优
越性。
(2)针对目前高功率WPT系统存在的问题,提出了一种基于CLC/N补偿结构具
备功率提升功能的双通道WPT系统及其磁耦合器,该系统将两对垂直缠绕的螺旋线圈
分别集成在发射侧铁氧体平面和接收侧铁氧体平面上,构成双发射-双接收的双解耦线
圈磁耦合器,从而在确保整个WPT系统紧凑性的同时实现功率提升功能。首先,通过
理论分析证明了所提磁耦合器中相互垂直的螺旋线圈不存在额外的磁耦合干扰现象。其
次,构建了双解耦线圈磁耦合器,并全面验证了正对、水平错位和垂直错位等不同条件
下的磁解耦特性。并详细地对比了所提双通道WPT系统与单通道WPT系统之间的输出
功率性能,证明了所提双通道WPT系统在高功率应用中的实用性。最后,搭建了所提
系统的验证性实验样机,实验结果证明了理论分析的正确性与合理性。
关键词:无线电能传输,恒流,CLC/N补偿,功率提升,双解耦线圈
ABSTRACT
Wirelesspowertransfer(WPT)technologyisatechnologythatconvertselectricalenergyintoother
formsofenergy,andthenconvertstheotherformsofenergyintoelectricalenergyandsuppliespowerto
electricalequipment,whichisnowwidelyusedintransportationengineering,biomedical,aerospace
technologyandotherfields.Comparedwiththetraditionalplug-inchargingtechnologythroughwire
contact,WPTtechnologycanrealizeenergytransferthroughairgapandhastheadvantagesofsafety,
aestheticsandelectricalisolation.Currently,load-independentConstantCurrent(CC)outputcharacteristics
andi
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