基于非线性振动理论的无线电能传输系统频率偏移抑制方法研究.pdf

摘要

无线电能传输（WirelessPowerTransfer,WPT）技术无需通过物理接触即可实现电

源和用电设备之间的电能传输，显著提高了供电的灵活性。在现有无线电能传输技术中

磁耦合谐振式无线电能传输技术（MagneticCouplingResonanceWirelessPowerTransfer,

MR-WPT）是当前的研究热点之一。该技术具有能量损耗小、自由度高、辐射性低、安

全性能强、无需频繁切换开关等优点，对其开展研究具有重要的实用意义和商用价值。

本文结合当前国内外研究成果，开展基于非线性振动理论的无线电能传输系统频率偏移

抑制方法研究，为提升无线电能传输系统稳定性提供了新的解决思路。主要内容如下：

在传统线性MR-WPT系统建模基础上，将非线性振动理论引入到WPT系统稳健设

计中，提出基于非线性振动理论的无线电能传输系统频率偏移抑制方法。首先，分析了

非线性电感线圈匝数、环线缝隙、绕线密度、磁环体积、磁环磁导率、绕线线径、激励

频率等参数对自感的作用机制，并推导了含非线性电感的Vanderpol-Duffing非线性谐

振电路动力学微分方程，进而分析非线性电感非线性系数对非线性谐振电路幅频响应特

性的影响；接着，基于Vanderpol-Duffing复合微分方程，建立了非线性WPT系统模型，

为了便于分析，将非线性WPT系统模型简化为非线性谐振电路，并进一步分析了激励

幅值、补偿电容、负载及磁环匝数参数对非线性WPT电路运行响应特性的影响。最后，

搭建了包含激励电压源、原边非线性谐振器、副边线性谐振器及负载的非线性MR-WPT

系统实验平台，并对激励频率变化、补偿电容变化及传输距离变化情况进行了实验分析。

实验研究表明，与传统线性MR-WPT系统相比，在激励频率从50kHz到62kHz的

变化范围内，所提非线性MR-WPT系统的传输效率高于80%的工作频率范围是传统线

性MR-WPT系统的1.7倍；补偿电容在偏差±6nF的情况下，非线性MR-WPT系统的

平均传输效率提升到83%；线圈距离从30mm变化到70mm，平均传输效率提升了50%。

因此，所提基于非线性振动理论的无线电能传输系统频率偏移抑制方法在无需调制源频

率、添加额外的有源控制电路或利用阻抗匹配网络情况下，可有效抑制频率偏移影响，

提高了WPT系统的传输性能。

关键词：无线电能传输，非线性电感，容忍度，谐振频率偏移

ABSTRACT

WirelessPowerTransfer(WPT)technologyenablesthetransferofpowerbetweenthepowersupply

andthepowereddevicewithoutphysicalcontact,significantlyimprovingtheflexibilityofpowersupply.

Amongtheexistingwirelesspowertransfertechnologies,magneticcouplingresonancewirelesspower

transfer(MR-WPT)isoneofthecurrentresearchhotspots.Thistechnologyhastheadvantagesofsmall

energyloss,highdegreeoffreedom,lowradiation,strongsafetyperformance,andnoneedtoswitch

frequently,andhasimportantpracticalsignificanceandcommercialvalueforitsresearch.Combinedwith

thecurrentresearchresultsathomeandabroad,thisdissertationcarriesouttheresearchonthefrequency

offsetsuppressionmethod