本文是一篇电力论文，本文针对蓄电池的无线充电这一应用展开研究，对可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统进行了理论分析、参数计算和实验验证。
第一章 绪论
1.1 研究背景
电能被广泛应用于照明、冶金、通信等重要领域，推动了工业生产力的发展，有力地支撑了国家经济。在发电、输电、配电、用电等多环节一体的电力系统中，电能最终通过导线供给用户端设备。电气设备一般通过插座与电网有线式相连，频繁的插拔易造成接口磨损，且容易产生电火花现象，严重的可对人体产生危害[1-3]。相较于传统的有线式传输，无线电能传输技术可减少导线连接，有效解决由频繁插电引起的接口磨损，并减少复杂布线及成本，具有灵活方便、适用性广的优点。因此，无线电能传输技术在消费电子、电动汽车、植入式医疗等应用领域受到了广泛关注，为生产生活带来了便利[4-5]。
无线电能传输这一概念最初由 Nikola Tesla 在 19 世纪末提出并进行了相关实验，其希望于在地球磁场条件下通过低频电磁波共振实现电能传输的研究，如图 1-1(a)所示，由于当时的理论不足，最终并未取得成效[6]。随着功率变换技术的发展，以及高频驱动、电磁场理论研究的成熟，无线电能传输技术从空中楼阁的设想逐渐具现为在诸多领域中有广泛应用前景的关键技术。上世纪 90 年代初，新西兰奥克兰大学的 J. T. Boys 教授率领研究团队对磁耦合机构、补偿网络、传输距离、效率特性与控制策略等方面，分别进行了分析和实验验证，取得了具有积极意义的成果，由此引发了无线充电的研究热潮[7-9]。2007 年，美国麻省理工学院的 Marin Soljacic 教授领导的研究小组利用两个铜质线圈在 2m 左右距离外点亮了一盏 60W 功率级的灯泡[10]，如图 1-1(b)所示，引发中距离场合的无线电能传输技术的探讨。
1.2 研究现状
为实现高效、可靠的分段式电池无线充电，国内外众多研究者立足技术发展前沿，将研究重点主要集中在增大传输距离、增大系统功率容量、提升传输效率、增强抗偏移能力以及强化安全性能等方面[37-39]，形成了系统性的理论和设计方法，并将现代电力电子技术、现代控制理论等用于 IPT 系统的驱动与控制，对 IPT 技术的应用做出了有意义的贡献，切实推广了无线电能传输技术的使用。已有的研究主要集中在以下方面：
1.2.1 控制策略
为了能够在电池等效电阻的宽变化范围内，将无线电能传输技术应用于电池的多段式充电且提高充电过程的效率，且保证 IPT 系统的输入端 ZPA 与输出稳定，应用了控制理论中诸多成熟的控制策略，其主要方法有变频控制、移相控制、直观的多级变换法，均检测电池充电电压、电流等参数后控制调节系统的输出，在既定的电池等效电阻值附近切换输出模式，实现先恒流后恒压的充电。
文献[40-41]中对 SS 补偿网络的滞环控制策略进行了深入的研究，其基本结构如图1-6 所示，在实时采集负载侧的电压、电流值之后，使用小型化无线通信设备将信号传回原边，使用 PI 环实现输出可控可调。这种方式将移相、调频等闭环控制手段引入到无线充电这一新型应用中，能实现用户所要求的系统输出，可操作性强，且能适应动态或静态的线圈位移引起的系统参数变化，在较宽的负载、位移范围内维持高效稳定的工作能力。移相控制方式受到逆变桥输出电流滞后于输出电压的相位裕量限制，若负载变化范围过大，移相角度过大，会使得开关管硬通断，增加损耗。调频控制方式则使系统频率偏离补偿网络的谐振频率点，获得非谐振点处的输出增益，对于品质因数较大的松耦合变压器线圈，变频时可能引起频率分叉现象[42-44]，即系统在这些谐振频率点位置附近有多个增益极大值点，谐振点增益反而接近局部极小值点，因而控制系统调整输出时，频率偏离谐振点的方向不确定，造成系统工作频率不稳定。此外，该方法依赖于信号实时传输将负载端情况通知供电端，对驱动信号进行调整，通信本身就引起了控制上的延迟，仅仅用调频、移相等手段，若负载变化范围较大，容易导致逆变桥开关管硬导通，承受过大的应力，增加器件选型成本。
第二章 可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统及特性分析
2.1 引言
由第一章分析可知，多数现有的应用于电池多段式充电的无线电能传输技术，从恒流到恒压输出模式的切换，往往避免不了电池状态检测与主动控制环节，设计与分析流程复杂。本文从 IPT 系统拓扑结构出发，提出一种可钳位输出电压的 IPT 拓扑，仅在电路拓扑作用下，该 IPT 拓扑系统能够根据电池等效电阻值大小改变系统的有效结构并切换输出模式。本章基于 SS 补偿网络提出了一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统，建立其数学模型，说明该系统的工作原理。
可钳位输出电压的三线圈补偿拓扑结构，利用输入恒压输出恒压的固定增益传输网络，钳位发射线圈电流，然后钳位负载端输出电压。基于该原理，选型能够实现 ZPA和输出恒流的原副边谐振补偿网络，在该谐振补偿网络的电路上添加包括辅助线圈在内的辅助电路，形成能自动从恒流切换到恒压输出模式的 IPT 结构。在充电初期输出恒流，此时辅助线圈上的感应电势峰值还不足以导通原边整流桥，随着电池等效电阻增大，原边线圈 LP上的电流值上升，在辅助线圈 LA上产生的感应电势大小达到使原边钳位整流桥导通，就会发生系统有效电路拓扑的自动改变，开始钳位接收端负载电压，从而为电池充电提供输出模式切换功能。
2.2可自动恒流-恒压切换的 IPT 变换器
从减少 IPT 变换器谐振补偿网络元件数量与体积的层面考虑，选择了 SS 补偿网络这一满足 ZPA 和输出恒流的谐振补偿网络。本文提出的 IPT 变换器电路如图 2-4 所示，在 SS 补偿结构的原副边变压器上，增加了一个输出模式切换辅助线圈，组成三线圈的松耦合变压器。该辅助线圈的补偿电容亦采用串联连接，辅助线圈与其补偿电容通过原边整流桥连接到直流电源端。
该 IPT 变换器的基波等效模型如图 2-5 所示，使用基波等效电路分析，本文的所有正弦相量均为振幅相量，用受控源模型表征各个线圈之间的耦合。为简化分析，暂不考虑线圈内阻。图 2-5 中，UP、US分别是逆变桥输出电压 vP的基波分量、负载侧整流桥输入端电压 vS的基波分量，RE为从负载侧整流桥输入侧的等效阻抗，钳位整流桥输入端电压的基波分量表示为 UA。
第三章 可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统设计....................................... 27
3.1 引言 ................................. 27
3.2 磁耦合机构设计 ................................ 27
第四章 可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统实验验证................................. 39
4.1 引言 .............................. 39
4.2 主电路设计 ......................................... 39
第五章 总结与展望 ................................... 51
5.1 本文主要工作的总结 ................................... 51
5.2 下一步要完成的工作 ............................... 51
第四章 可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统实验验证
4.2 主电路设计
4.2.1 三线圈松耦合变压器
在开关频率为 100kHz 时，取电流密度 J=3.5A/mm2，按照第三章线径选型公式 XX计算，选型 0.1mm*120 规格的利兹线作为变压器线圈绕组的材料。松耦合变压器线圈如图 4-1 所示，发射线圈与辅助线圈放置于同一平面板的正反面，接收线圈外观尺寸参数与发射线圈接近，三个线圈同轴放置。
将发射线圈置于辅助线圈与接收线圈中间，以发射线圈所在水平位置作为参考。发射线圈绕制 26 匝，接收线圈绕制 23 匝，轴向高度 4.4cm，辅助线圈绕制 18 匝，轴向高度-0.75cm。为了削减接收线圈与辅助线圈之间交叉互感量 MSA的大小，原副边发射和接收线圈采用了不对称结构，减小了接收线圈的自感参数。
第五章 总结与展望
5.1 本文主要工作的总结
无线电能传输技术凭借自身便利、安全的优势被应用于诸多场合。大部分应用将蓄电池作为负载进行充电，为便携式设备提供续航能力。本文针对蓄电池的无线充电这一应用展开研究，对可自动恒流-恒压切换的 IPT 系统进行了理论分析、参数计算和实验验证，本文的主要工作内容如下：
1、介绍了近年来无线电能传输系统的补偿拓扑与控制策略等研究进展，结合电池充电特性曲线，分析了以上方案用于电池充电时存在依赖实时检测与信号反馈的不足，提出了依靠 IPT 系统拓扑实现电池多段式充电的目标；
2、受多负载式 IPT 补偿网络结构启发，提出了一种可钳位输出电压的补偿网络，进而提出了一种可自动实现恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统。指出了该系统的拓扑结构能实现自动恒流-恒压切换这一功能的原理，在于整流桥组成的辅助电路对系统有效结构的变换。通过交流等效分析说明了该 IPT 系统的恒流充电阶段分析、模式切换的过渡过程与恒压充电阶段分析，给出了系统输出模式切换的两个关键的临界电阻值，并考虑了交叉耦合 MSA存在的工况条件下 IPT 系统的工作情况，阐述了电路的自我保护功能。
3、对本文
