动态无线供电系统的功率波动与平抑策略研究

Dynamic wireless power supply is a promising technology, receiving end can be continuously powered without contact. The technology can extend the driving range of receiving end, reduce the amount of battery, and improve power supply safety and flexibility. . Due to the misalignment of the coupling mechanisms, uneven distribution of magnetic field for the sectional tracks, the transient response of the tracks switching, real-time change of load and the influence of wicked environment, there are power pulsations during the charging process. In this project, a asymmetric three-dimensional coupling structure of dynamic charging is established, the characteristics of dynamic wireless charging system are approximately analyzed by steady-state model of coupled mode theory and circuit model, researching on the dynamic variation of transmission power and efficiency. The small-signal model is used to describe the transient characteristics of the tracks switching to find the optimal switching point. Control strategy based on active disturbance rejection control is proposed, which can smooth power pulsations. This project could broaden the theoretical research of dynamic wireless charging technology, which provides a theoretical basic for dynamic charging of electric vehicle and high-speed rail train.

动态无线供电技术作为一种新兴技术,它以非接触的方式为行驶中的受电体实时地提供能量供给，大幅度延长受电体的行驶里程、降低车载电池的用量、提高电能补给的安全性和便捷性。. 由于耦合机构间的位置偏移、分段式导轨的磁场分布不均匀、导轨线圈切换的瞬时响应、负载的实时变化，以及实际应用中恶劣天气及复杂路况等因素影响，动态无线供电系统能量传输过程中存在功率波动现象。本课题建立动态模式下非对称动态耦合结构的三维模型；通过耦合模理论和电路模型等稳态模型近似分析动态无线供电系统的特性，研究传输功率和效率的动态变化规律；采用小信号模型描述导轨切换的瞬态特性，找到最佳切换点；提出一种基于自抗扰控制思想的控制策略，实现对输出功率的快速、精准调节，平抑功率波动。本项目拓宽动态无线供电技术的理论研究，为电动汽车和高铁列车的无线供电提供理论基础。

无线充电技术能够摆脱充电线的限制，动态无线充电技术还能够增加车辆的续驶里程，应用前景广泛。然而，在无线充电中，由于充电装置的位置不确定性、负载的时变性，系统普遍存在功率波动问题。本项目正是针对无线充电中普遍存在的功率波动问题开展研究的。通过分析功率波动的形成原因，揭示功率波动的变化规律，研究平抑功率波动的控制策略，进而提高无线充电系统的稳定性与可靠性，加快该技术在电动汽车领域的应用化进程。. 项目研究了无线充电装置的结构与性能，进一步讨论了充电装置的布局和工作方式对动态无线充电系统的影响。建立了无线充电装置的多物理场耦合模型，分析无线充电装置温度分布，进一步分析充电装置随功率变化而导致的温度变化，总结电磁场有限元计算和温度场计算的相关影响。基于无线充电系统的复杂动力学特性，建立无线充电系统的数学模型，分析载荷的动态变化对系统造成的影响，提出LCC-S的补偿拓扑结构，提高系统的鲁棒性。建立无线充电系统的广义状态空间平均模型，分析系统的扰动类型，提出基于固定时间的控制器，进行输出受限设计，进一步增强系统的抗干扰能力。搭建无线充电系统的实验平台，设计无线充电装置的电源转换器，分别开展了静态和动态无线充电实验，动态无线充电的波动率从±47.93%降低至±1.96%，从而验证了系统抗扰动性和抑制功率波动性的有效性。. 本项目研究成果，可以提高动态无线供电系统的稳定性，为电动汽车和高铁列车的无线供电提供理论基础。