基于平板磁芯的磁共振式无线能量传输技术研究

在无线能量传输技术从提出到快速发展的100多年时间里，不同形式不同原理的传输技术不断被提出，磁共振式无线能量传输技术便是其中一种。它具有传输效率高，传输距离远，应用灵活等特点，但一般磁共振式系统不含磁芯结构，制约了其在大功率方面的应用。为了解决这一问题，本文在传统磁耦合谐振式无线能量传输装置基础上，加入平面型磁芯结构，提出并设计了一种基于平板磁芯的磁共振式无线能量传输系统，实现了一定距离下的大功率高效能量传输。 在无磁芯结构的基础上，本文首先对基于平板磁芯的磁共振式能量传输传输机理进行了分析，阐述了加入高磁导率材料时传输系统的特点，建立了串联-并联的电路模型，通过列写电路参数微分方程的方法给出了传输系统输入电流、输入功率、输出功率、传输效率等数学表达式，并利用Pspice以及Matlab理论计算的方法对电路模型中各参数进行了分析，研究了耦合系数、线圈内阻、负载值等参数的改变对传输的影响。 其次，本文设计了小尺寸（200mm*200mm*15mm）平板磁芯与线圈结构，采用集成驱动模块与大功率MOSFET器件设计了驱动电路以及高频逆变电路（140KHz），完成了系统实验平台的搭建。 最后，通过实验对系统各项传输性能进行了分析验证，重点研究了加入磁芯结构后系统耦合系数的变化、工作频率对传输功率以及效率的影响、较远距离下系统的大功率传输性能以及发射端与接收端产生的错位对传输的影响，并对系统进行了进一步优化，解决了软开关与系统软启动问题。 系统实现了距离100-120mm，1.35-1.85kW大功率无线能量传输，传输系统整体传输效率达到80%以上，其中线圈磁芯部分传输效率达到90%以上。相对于无磁芯结构的系统，系统体积明显减小，并且实现在大范围平行移位（35%）情况下稳定高效传输。