磁耦合谐振无线能量传输线圈系统特性分析与优化研究

摘要

无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）系统在嵌入式医学、便携式移动通讯设备、电动汽车等诸多领域具有广阔的应用前景。磁耦合谐振式无线能量传输技术（Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling，WPT/MRC）是一种新兴的WPT技术。目前，WPT/MRC技术主要研究目标是如何增加WPT/MRC系统的传输距离，以及如何提高系统传输效率。本文主要针对WPT/MRC线圈系统，在分析其传输特性的基础上对其结构进行优化设计，来提高系统传输效率与增加系统传输距离。
　　串联谐振耦合模型与并联谐振耦合模型是两种WPT/MRC线圈系统的结构模型。串联谐振耦合模型传输效率高但传输距离近，并联谐振耦合模型传输距离远但传输效率低。混合谐振模型相对于串联谐振耦合模型，可以在传输效率下降不多的情况下，传输距离有很大的增加；相对于并联谐振耦合模型，可以在传输距离减小很小的情况下，传输效率有很大的提高。因此本文对混合谐振耦合模型的传输特性进行探究，完成工作如下：
　　（1）分析WPT/MRC线圈系统的基本电路结构、测试方法及关键影响因素，其中包括：两种基本谐振电路，Matlab仿真实验与矢量网络分析仪实验中用到的二端口网络S参数测试方法，以及耦合系数及激励源频率对WPT/MRC系统传输效率的影响；
　　（2）采用集中参数等效电路方法，分析串联谐振耦合模型与并联谐振耦合模型的系统传输函数，比较两种模型的优缺点；
　　（3）探究混合谐振耦合模型的传输特性，并与串联谐振耦合模型和并联谐振耦合模型在传输效率与传输距离上进行对比。探究通过调节混合谐振耦合模型串并联电容比例的方法，来达到增大系统传输距离或提高系统传输效率的目标；
　　（4）分别通过Matlab软件的数值仿真，矢量网络分析测试和灯泡负载实验验证混合谐振耦合模型相对于另两种模型在增大传输距离与提高传输效率上的优势。
　　通过对混合谐振耦合模型的探究得到如下结论：
　　（1）通过调节混合谐振耦合系统串并联电容比例的方法，可以使混合谐振耦合系统相对于串联谐振耦合系统在传输效率降低约10％的情况下，传输距离增大10倍；相对于并联谐振耦合系统在传输距离减小不到一半的情况下，传输效率提高20%。因此混合谐振耦合系统可以解决串联谐振耦合系统传输距离近的问题，与并联谐振耦合系统传输效率低的问题；
　　（2）通过调节混合谐振耦合系统两侧或单侧串并联电容比例的方法可以较大或较小地调整系统传输距离与传输效率。在实际应用中，可以根据实际情况灵活的调整系统传输距离与系统传输效率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 WPT技术的分类

1.3 国内外研究现状

1.4 研究目的及内容

第2章 磁耦合谐振式WPT系统工作原理与实现技术

2.1 引言

2.2 LC串联谐振与并联谐振

2.3 二端口网络S参数分析法

2.4 耦合系数对WPT/MRC系统传输效率的影响及其频率分裂现象

2.5 本章小结

第3章 WPT/MRC双线圈等效电路模型的分析与对比验证

3.1 引言

3.2 串联谐振耦合模型

3.3 并联谐振耦合模型

3.4 混合谐振耦合模型

3.5 本章小结

第4章 混合谐振耦合模型双线圈WPT/MRC系统设计及实验研究

4.1 引言

4.2 三种螺旋线圈的结构设计

4.3 耦合系数K和传输距离d间的换算

4.4 实验验证与结果分析

4.5 灯泡负载实验

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文