1.1研究的目的和意义

自从人类发明电以来，电能便一直依靠电缆或电线进行传输，因此现实生活中充斥着各种各样的电线和插座，给人们的生活带来了不便。此外，随之时间的流逝，电线和插座的老化等问题也会带来安全隐患，于是人们便梦想着实现电能的无线传输。自从电磁感应定理被发现以来，很多先哲进行了无数次试验，但均未能推广应用。今年来，随着电动汽车的推广和科学技术的不断发展，无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）又重新燃起了人们的研究热潮。与传统的供电方式相比，无线电能传输具有很多优点：1、电气隔离，避免电火花出现，安全可靠；2、不受水、灰尘、化学物品的影响；3、灵活、方便，便于维护，减少安装成本。因此无线电能传输在许多场合均得到了应用，电动汽车的无线充电、手机等消费类电子设备的无线充电、人体植入式设备的供电、矿井照明，石化等恶劣环境的安全供电等。

感应电能传输（Inductive Power Transfer,IPT）技术是WPT技术应用最广泛的技术，也是目前为止唯一运用到商业产品的技术，因此，本论文的研究亦针对于IPT感应式无线传输技术。无论是小功率的电动牙刷、手机充电、大功率的电动汽车充电，还是其他的心脏起搏器等生物医疗设备，通常都需要恒定的电流或电压提供给负载，因此，IPT变换器应直接提供负载需要的恒定驱动电流或者是恒定驱动电压，提高传输效率。为了减少驱动电路的视在功率，提高功率因数，减少器件的电流和电压应力，电路中不应存在无功功率。为减小变压器尺寸，提高传输能力，通常应设计IPT变换器在高频条件工作，为避免开关损耗，提高系统传输效率，开关器件的软开关技术非常重要。因此，IPT系统需要具有提供负载所需的恒流输出或者恒压输出；电路中无功功率为零；开关器件实现软开关，减少开关损耗。针对上述问题，本论文拟采用补偿网络的设计来同时实现上述三个目标，简化电路结构和控制。如果IPT系统的输出特性为恒流源或是恒压源特性，可解耦输出电流或电压与负载的关系，不仅可以优化后级变化的设计，如果其输出恒流源或恒压源满足负载需求，还可以减少成本，提高效率。

IPT系统如何设计补偿网络来同时实现恒流或恒压输出。本论文将系统的分析SS、SP、PS、PP四种补偿方式的输入和输出特性，得到输出恒流或恒压的补偿结构及工作条件。

1.2国内外研究现状

无线供电技术利用电磁场和电磁波实现由能量发送端至接收端的非能量的供给。早在十九世纪末，Nicola Tesla就开始进行过远距离无线输电的实验研究，但因技术和资金限制未能实现。目前，国内外研究较多、较成熟的能量非接触传输技术采用电磁感应原理，已开始应用于工业设备、家用电器和武器系统等领域，在很多场合具有传导式电能传输不可比拟的优势，但由于能量传输的效率随着距离增加迅速衰减，因此仅适合在短距离（mm级）上应用。在一些苛刻的特殊场合或日常生活电气中迫切要求能量可在大距离（m级）范围内实现高效、可靠的非接触传输。

无线电能传输技术的研究始于19世纪80年代，最早进行WPT实验的是美国科学家Nikola Tesla，1899年利用50kHZ的交流电成功点亮了一个远处的白炽灯。到20世纪60年代初，美国雷神公司William C.Brown等做了大量的实验基础，是这一概念变成了现实。1968年美国航空工程师Peter E.Glaser提出利用微波从太阳能卫星向地面传输电能的想法，即在地球同步的轨道上简历太阳能发电站（SPS）。在随后的的1977-1980年间，美国能源部和国家宇航局共同组织研究对SPS计划进行概念论证，肯定了其可行性。对应对能源危机，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究，极大的促进了WPT技术的发展。到20世纪90年代，新西兰奥克兰大学John T.Boys等对WPT技术进行深入研究，率先提出耦合电能传输（inductive coupled power transfer，ICPT）技术，经过多年的努力在理论和实践上取得了较多重大的突破。为应对空间太阳能电站的技术需求，日本的科研院所开始了对激光无线电能传输的研究。进去21世纪以来，WPT技术的研究取得了突破性的进展， 2007年，以MIT助理教授Soljacic M.为首的研究小组在《Sicence》上发表了他们在电能无线传输技术领域的最新研究成果，通过调整收发端线圈谐振频率，达到传输线圈的电磁共振，利用自制装置点亮了2m外的60w灯泡，系统传输的效率为40%-50%，实现了电能无线传输的突破。该技术的实现激发了业界极大的兴趣，并纷纷开始研究。目前对磁耦合共振无线能量传输理论的研究主要有模式耦合和互感理论两种。近几年来，世界各国的研究人员对WPT进行了深入的研究，理论和实践上都取得了很大的进展，WPT技术按照传输原理的不同，可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电厂耦合式及超声波方式等；按电磁场距离场源的远近，可分为近场耦合式和远场辐射式。其中，磁感应耦合式、磁耦合谐振式和电场耦合式为近场耦合式，微波辐射式和激光方式则为远场辐射式WPT。

国内在电动汽车无线充电方面的研究起步较晚，与国外的研究水平还是存在一定的差距，重庆大学孙悦教授所带领的研究团队就电动汽车的无线充电系统进行了多角度的理论方面的研究，而且应用非线性建模的方法进行了分析。然后进行了分段式电动汽车无线充电实验，提高了系统的敏感度适应性，进而提高了其稳定性，同时研究分析了其充电控制策略来提高系统的整体性能。最后研制了垂直传输距离30cm，传输功率600-1000w的无线供电系统。东南大学黄学良教授领导的团队在麻省理工学院关于磁耦合谐振原理所进行的研究继续深入研究，分别从互感理论和耦合模理论的角度对系统进行了建模，并分析了其传输机理，推导出基于不同补偿拓扑的电路特性及功效表达式，并通过频率控制对系统的最大功率和效率进行了优化，为实际应用设计提供了参考。哈尔滨工业大学的研究团队主要对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行了研究，通过互感模型对系统的能量进行了分析，并深入分析了四种基本谐振补偿拓扑的优缺点，同时提出了能量传输损耗分析方法，并在此基础上建立了能量损耗等分析电路，最后与海尔公司合作开发了一套无线电能传输实验平台，输出功率高达700w。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

感应电能传输（IPT）技术是一种通过电磁效应或者能量交换作用实现从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方式，相比传统导线输电方式，其具有安全可靠等优点，尤其适用于一些特殊的应用场合，因此受到了越来越广泛的关注。依据电动汽车锂电池充电过程中需要满足的恒压及恒流特性，需要针对IPT系统中不同的补偿拓扑结构进行分析，以满足不同场合的充电需求。本课题拟在电动汽车无线充电基础上分析其典型拓扑结构的恒压/恒流充电特性，并进行仿真实验验证。具体研究内容包括：熟悉无线能量传输主要组成结构，包括电力电子变换器、补偿拓扑结构、松耦合变压器等；了解电动汽车锂电池充电特性；了解松耦合变压器工作原理，进一步推导补偿拓扑的存在意义；在Ansys Maxwell 软件上完成松耦合变压器磁场仿真，得到松耦合变压器电感参数；在恒压/恒流条件下计算不同补偿拓扑参数，完成传输特性分析，进行matlab仿真验证。