家用电器无线供电关键技术研究

The convenience and safety of power supply of home appliances has been widely concerned. The project aims at studying a low-cost, high-efficiency and high-quality wireless power supply solution to home appliances to achieve the optimal operation of a variety of consumer electronics devices on a common energy launch platform. For the transmission efficiency and power quality problems, a wireless power transfer mode will be proposed based on an improved envelope modulation mechanism. For the energy efficiency optimization control problem of a variety of loads on the universal launching platform, a segmented optimal frequency dynamic tracking method will be proposed. For the identification of load validity, a signal interactive method based on the energy channel will be proposed. For the optimal control problem, a dynamic load identification method based on impedance scanning will be proposed. For system optimization and characteristic analysis, a system-wide, multi-physics mixed-modeling method will be proposed. The solution of the above key issues will lay the foundation for the development and application of home appliances wireless power transfer technology, and enriches the theory of wireless power transmission technology.

家用电器的便捷、安全供电一直是人们关注的问题。本项目以家用电器应用为背景，拟研究一种低成本、高效率、高品质的家电无线供电解决方案，实现多种家电设备在通用能量发射平台上的优化运行。针对传输效率和供电品质问题，提出并研究一种基于改进型包络线调制机理的无线供电模式；针对通用能量发射平台的多种负载能效优化控制问题，提出并研究一种分段最优频率点动态跟踪调节方法；针对负载有效性识别问题，提出并研究一种基于能量通道的信号交互方法；针对系统优化控制问题，提出并研究一种基于阻抗扫描分析的负载动态辨识方法；针对系统优化与特性分析问题，提出并研究一种全系统、多物理场混合建模方法。以上关键问题的解决，将为家电无线供电技术的发展与应用奠定基础，并丰富无线电能传输的理论技术体系。

项目围绕家用电器的无线供电关键技术展开研究，达到了项目的预期目标。发表了学术论文17篇，其中SCI检索5篇，EI检索15篇。获权发明专利7项。获得省部级科技进步二等奖1项，IEEE年度优秀论文奖1项。参与国家标准起草、修改和审定2项。在系统高效变换拓扑和稳定性方面，研究了多负载条件下能量传输效率与频率的关系，提出了偏离谐振点的系统设计方法和高效率控制方法，使系统的抗扰性增强，并保证宽功率范围内效率均在90%以上；提出了系统环流控制方法并开发了相应的装置保持系统稳定性；提出了电流型系统的负载自适应控制方法，保证各种不同的负载切换能够自动完成；将同步整流技术引入副边变换，提高系统整体效率。在最优频率点动态跟踪和调节方方面提出了基于静态电容阵列的无线供电系统调频方法和全功率段高效率设计方法与控制方法，让家电系统在空载到满足的效率保持在87%-95%之间。在负载识别方面，针对电压型和电流型系统分别提出了系统启动时固有谐振频率和负载自动确定的方法，该方法采用自由谐振峰值点间距和峰值计算的方法，可以进行精确的计算，保证了系统启动频率和功率控制的可靠性；针对负载甄别分别发表了《基于能量传输通道的IPT系统非法负载检测技术》和《基于最小二乘法的感应电能无线传输系统负载辨识方法》两篇论文，通过计算进行负载识别，识别率达到95%以上；研究了基于信号载波方式和信号与能量分时复用两种方式的能量通道信号交互技术，信号传输速率达到9600bps，满足了负载动态辨识的需求。在系统的建模方面，针对无线电能传输系统损耗的量化计算问题，以电流型谐振式无线电能传输系统为例，对其损耗进行了完整的分析与计算，得到了系统损耗的主要组成部分及主要决定因素，对无线电能传输系统的设计与改进具有重要的参考意义；建立了磁耦合机构与系统电气参数的函数模型，以能效特性作为主要目标，以磁耦合机构的结构特性及频率特性作为约束条件，提出一种具有普遍适用性的磁耦合机构设计流程；针对频率的漂移，系统鲁棒性恶化以及控制器对不确定负载的难控制问题，提出了一种在线稳态的负载识别方法，该方法在IPT系统的新添加电容，使得系统工作在两种模式下，并建立了系统的数学模型；针对系统参数设计，基于谐振网络参数对频率稳定性的影响规律，提出并研究一种使工作频率自然达到相对稳定的谐振网络参数的设计流程。项目成果为家电无线供电技术的发展与应用奠定了基础。