I近年来,消费电子与电动汽车行业在全球范围内正经历着一个高速发展的热潮。行业的迅速发展必然对技术水平的提升产生迫切要求。在众多有利于提升产品性能的技术需求中,方便快捷的充电技术成为了各大生产厂商与研究机构密切关注的问题。当前,手机电脑等消费电子产品和电动车的主要充电方式是利用电缆将电源与用电设备直接连接的有线式充电。有线式充电方式需要依靠人工操作来实现,而且通过插头进行物理连接的方式会导致器件磨损、积碳以及电火花等众多维护问题,从而降低了系统可靠性、使供电模块不能工作在易燃易爆的危险环境里。无线式充电可以消除电源和用电设备直接的物理连接,由于它很好地解决了因线缆连接所带来的多种问题,因此具有安全性、可靠性、便捷性与灵活性等优点。目前市场上较为成熟且被广泛应用的无线能量传输技术主要为感应耦合式无线能量传输(Inductive Power Transfer),针对该技术的特点以及其中所存在的一些问题,本文从系统的工作模式,拓扑以及控制等方面进行了研究,给出了改进方案。感应耦合式无线能量传输系统与变压器类似,它们都基于电磁感应原理,利用电感线圈间的耦合来实现能量传递。但感应耦合式无线能量传输系统的工作条件更为复杂,因此产生了许多特有的传输特性,本文通过对感应耦合式无线能量传输系统谐振网络数学模型的研究,对多种传输特性成因进行了讨论。由于感应耦合式无线能量传输系统的输出功率调节本质上是依靠阻抗匹配和阻抗变换来实现的,因此在过耦合状态下,系统的输出功率和效率之间会产生一定的矛盾。为了解决感应耦合式无线能量传输系统中过耦合状态下的功效矛盾的问题,本文借鉴了开关电源的工作原理,提出了感应耦合式无线能量传输系统的开关工作模式。文中研究了发射与接收谐振网络之间能量转移的暂态特性,将谐振网络视为储能单元,仿照开关电源工作原理设计了离散化的能量传输过程,并利用耦合模方程给出了开关型感应耦合式无线能量传输系统的传输特性表达式。在理论分析的基础上,为了实现开关型感应耦合式无线能量传输系统,本文提出了一种可在开关模式下工作的发射端和接收端电路。文中详细描述了电路的工作时序,并对实验波形进行了分析,给出了能量回流等现象的成因。从而验证了开关型感应耦合式无线能量传输系统的可行性与系统的传输性能。此外,为了解决高频感应耦合式无线能量传输系统开关损耗过大导致整体性能下降的问题,本文利用脉冲电源的设计思想和拓扑结构设计了用于感应耦合式无线能量传输系统的脉冲注入型发射端逆变器。该逆变器拓扑中包含有可各自独立运行的能量采集模块与谐振网络结构,通过离散注入,自由振荡的工作模式,使得系统以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量,从而有效降低开关损耗,使低速大功率开关管可以能够有效应用在高频系统中。在脉冲注入式感应耦合无线能量传输系统原理的基础上,本文还提出了以双向反激变换器拓扑为核心,可以实现AC-AC变换的发射端逆变器拓扑。该拓扑消除了传统感应耦合无线能量传输系统必备的整流滤波模块,不仅保留了脉冲能量注入的优点,还增加了AC-AC变换的功能,因此可以降低感应耦合式无线能量传输系统损耗,起到优化系统体积与成本的效果,具有应用价值。最后,感应耦合式无线能量传输系统作为时变的高阶非线性系统,具有复杂的动力学特性,而且对于各类不确定性和外部扰动因素较为敏感。为了对其实施有效的控制,本文对自抗扰控制器在系统发射端电流控制上的应用进行了研究。文中利用广义状态空间平均法和自抗扰控制中将不确定性视为外扰的思想,建立了感应耦合式无线能量传输系统的通用简化模型,并在模型的基础上设计了适用于感应耦合式无线能量传输系统的自抗扰控制方案。电路仿真结果表明,由于自抗扰控制器具有强鲁棒性,低模型依赖,运算简单的特点,它可以在系统状态或参数发生剧烈变化的情况下,对系统的发射端电流进行高速稳定的控制,具有很强的工程应用价值。IPT