基于谐振耦合式电能无线传输系统分析与研究

摘要

随着移动互联网技术的快速发展，手机和平板电脑等可移动智能设备日益成为人们生活中不可或缺的电子设备，而电源线却成为了困扰人们使用电能的最后一线。在此背景下许多研发者对电能无线传输技术进行了研究，其中谐振耦合式电能无线传输技术就是该领域研究及应用的热点之一。
　　谐振耦合式电能无线传输技术也称为中程距离电能无线传输技术，是利用原、副边线圈磁共振耦合实现能量高效传输的一种电能无线传输方式。相对于传统技术而言，该技术在安全性、高效性、人性化等许多方面都存在优势；与电磁感应方式相比，它通过磁共振方式进行能量传输，大大提高了传输效率，并突破传输距离小的限制；与微波辐射方式相比，该技术可以突破非金属物质的限制，这极大拓展了该技术应用领域。
　　本论文在分析研究谐振耦合式电能无线传输技术相关理论和仿真实验的基础上，搭建了小功率谐振耦合式电能无线传输系统实验平台，并做了相关实验分析，具体工作如下：首先介绍了谐振耦合式电能无线传输技术的理论基础，从耦合模理论及等效电感电路两种方式对系统进行全面的建模分析，通过 PSPICE对系统进行了耦合系数仿真实验，得出耦合系数大小变化对系统传输功率以及效率有着至关重要的影响。其次重点对四种电容补偿拓扑结构进行理论和MATLAB仿真分析，并给出了传输功率和传输效率的计算表达式；分析了耦合系数、传输距离、负载大小等参数和系统电压增益、电流增益之间的关系，对系统传输功率以及效率的影响，给出了实现系统谐振时的电容计算公式模型；介绍了谐振耦合式电能无线传输系统的各部分组成框图，以及影响系统传输特性的主要环节，并给出了发射电路和接收电路一般性电路图，并对耦合线圈进行了Maxwell磁场强度仿真，最终本论文选择了平面螺旋形线圈作为原副边親合线圈。
　　本论文还完成了硬件电路的搭建以及相关的实验分析、性能测试，实现了20cm外4.3V稳压手机无线充电。整个实验电路工作稳定，结构简单，实现了小型化的要求，基本达到了实际应用水平。

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1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1. 2电能无线传输技术发展状况

1. 3课题目前存在的问题

1. 4论文的研究内容与结构

2 谐振耦合式电能无线传输的理论分析与系统建模

2. 1谐振耦合式电能无线传输的理论基础

2 . 2基于絹合模理论的系统建模分析

2. 3基于等效电路理论的系统建模分析

2. 4本章小结

3 谐振耦合式电能无线传输系统初、次级补偿拓扑结构的性能分析

3. 1谐振耦合式电能无线传输系统拓扑补偿结构

3. 2工作频率、耦合系数与系统传输特性之间关系分析

3. 3原副边线圈距离、阻性负载与传输功率、传输效率之间关系分析

3. 4补偿电容的推导

3. 5本章小结

4 单元硬件电路的设计

4. 1谐振耦合式电能无线传输系统系统构成

4. 2发射电路的设计

4. 3接收电路的设计

4. 4本章小结

5 实验平台的搭建与实验结果分析

5. 1传输距离与系统传输效率、功率之间关系的实验分析

5. 2工作频率与系统传输效率、功率之间关系的实验分析

5. 3负载变化与系统传输功率之间关系的实验分析

5. 4系统穿透性实验分析

5 . 5手机4 . 3V稳压充电测试

5 . 6本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果