摘 要

无线输电技术（WPT）在当下的社会中有着十分广阔的前景，伴随着无线输电产业的蓬勃发展，无线输电技术的应用将会变更加多元化。在以倡导低碳、节能、绿色发展的今天，电动汽车的技术也在不断的发展，针对这类节能型电动汽车的充电设施，也得到了进一步的提升。在使用充电缆线的同时，其中的低频无线输电技术颇具潜力。

无线电能传输技术因其具有使用安全、方便，无火花及触电危险，免维护，以及无需人工操作等优点，在医疗设备、消费电子、电动汽车等领域得到了广泛的应用。但是，无线电能传输系统中发射和接收线圈的偏移必将影响系统的传输特性，比如输出功率、传输效率等，因此有必要研究如何克服偏移对系统的影响。而开关电容可实现动态电容调节，从而补偿偏移导致的变压器线圈自感和耦合系数的变化，进而实现全功率范围内的软开关和高效率。

本课题拟针对3.3kW电动汽车无线电能传输系统，以典型的S-S型拓扑结构为基础，讨论开关电容（SCC）的工作机理，定性分析WPT系统的构成与原理，以及其在电动汽车无线充电系统中的应用。还可以通过针对零电压开关（ZVS）操作和谐振条件来调节发射器和接收器侧的SCC，从而可以进一步提高系统效率。

关键词：开关电容(SCC)；无线电能传输（WPT）；逆变电路；耦合线圈

Abstract

Wireless Power Transfer technology (WPT) has quite broad prospects in the current society. With the vigorous development of the wireless power transmission industry, the application of wireless transmission technology will become more diversified. Today, with the continuous development of energy-saving electric vehicles, charging facilities for electric vehicles have also been further developed, and the low-frequency wireless transmission technology has great potential.

Wireless Power Transfer technology has been widely used in medical equipment, consumer electronics, electric vehicles and other fields because of its advantages of safe and convenient use, no sparks and electric shock hazards, maintenance-free, and no need for manual operation. However, the offset of the transmitting and receiving coils in the wireless power transmission system will definitely affect the transmission characteristics of the system, such as output power and transmission efficiency, so it is necessary to study how to overcome the impact of the offset on the system. The switched capacitor can realize dynamic capacitance adjustment, so as to compensate for the change of the transformer coil self-inductance and coupling coefficient caused by the offset, thereby achieving soft switching and high efficiency in the full power range.

This topic aims to discuss the working mechanism of switched capacitor (SCC) based on the typical SS topology for 3.3kW electric vehicle wireless energy transmission system, and qualitatively analyze the composition and principle of WPT system and its wireless charging system in electric vehicles Application. The SCC on the transmitter and receiver sides can also be adjusted for zero voltage switching (ZVS) operation and resonance conditions, which can further improve system efficiency.

Key Words：Switch Controlled Capacitors、Wireless Power Transfer、Inverter circuit、Coupling coil

目录

第一章 绪论 6

1.1 本文研究背景与意义 6

1.2 国内外研究现状 8

1.3 本文主要研究内容 10

第二章 WPT系统的工作机理与组成 11

2.1 WPT系统的组成 11

2.2 WPT系统的电路模型 15

2.2.1 逆变电路模块 15

2.2.2 整流电路模块 15

2.2.3 非接触式变压器模块 16

2.3 WPT系统补偿网络的拓扑结构 16

2.3.1 补偿网络的设计原则 16

2.3.2 补偿网络的经典拓扑结构 17

第三章 基于SCC结构的WPT系统的实现 20

3.1 线圈偏移与开关电容 20

3.2 开关电容的结构概述 20

3.2.1 开关电容的工作原理 20

3.2.2 开关电容的有关参数计算 21

第四章 SCC结构下的WPT系统仿真与实验分析 24

4.1 系统有关参数的设计与整定 24

4.2 搭建仿真模型与结果分析 25

第五章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

附 录 31

致 谢 32

第一章 绪论

本文研究背景与意义

无线电能传输技术是当前热门的研究领域，其在安全性（无电弧火花放电及人员触电危险）、便捷性（隔离式传输线圈便于拆分携带）、经济性（免维护，不用人为进行操作）等优点，在如今的各个行业及各个领域中获得了十分广泛的应用，例如在电子通讯、医疗器件、新能源汽车等。但是，无线电能传输系统中发射和接收线圈的偏移必将影响系统的传输特性，比如输出功率、传输效率等，因此有必要研究偏移对系统的影响。开关电容可实现动态电容调节，从而补偿偏移导致的变压器线圈自感和耦合系数的变化，进而实现全功率范围内的软开关和高效率。

在当下的具体研究分析中，如何将转换器保持在非理想电感器和电容器的谐振条件下是十分具有挑战性的。本次设计将考虑通过利用可变电容器（即开关电容）来调谐谐振网络，可以维持WPT系统的谐振状态。其中基于SCC电路的WPT系统中，通过改变逆变器的脉冲宽度来调整输出电压，并通过改变整流器的脉冲宽度来匹配最佳负载阻抗。通过针对零电压开关（ZVS）操作和谐振条件来调节发射器和接收器侧的SCC，从而可以进一步提高系统效率。^[13]

通过本课题的训练，将培养学生动手能力、分析问题及解决问题的能力并掌握无线电能传输系统和开关电容的工作原理及控制方法； 掌握Simulink仿真软件的使用方法；电路调试以及实验结果分析。