近场耦合中距离无线能量传输技术的研究

摘要

本文研究通过近场耦合实现的中距离无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）问题，根据传输距离与收发线圈的尺寸大小关系，WPT可分为：近距离传输，指传输距离远小于收发线圈的尺寸；远距离传输，指传输距离远大于收发线圈的尺寸；中距离传输，指传输距离约为收发线圈尺寸的几倍。相比近距离WPT和远距离WPT，中距离WPT在原理与技术上都还存在较多有待解决的问题，因此中距离WPT的研究近些年一直是该领域研究的热点。本文研究实现中距离WPT基于两种方式：感应近场谐振耦合方式和辐射近场高辐射效率天线传输方式。第一种方式是本文主要研究内容，涉及到三大方面：理论分析和比较性研究、有效增加传输距离的研究、实现设定目标（如最大效率条件下定传输功率）的研究。第二种方式集中于设计适用于WPT的高辐射及高全局效率的电小天线，并对设计的高辐射效率天线组成输能系统进行分析和研究。 （1）对感应近场谐振耦合方式实现中距离WPT主要工作和创新点如下： （a）理论部分的工作和创新点：首先对用于分析感应近场方式进行输能的两个理论，即耦合模理论（Coupled-Mode Theory，CMT）和电路理论（Circuit Theory，CT）进行了对比性分析，指出两理论在系统处于稳定态情况下是等效的。其次，用电路理论分别分析用于实现近距离WPT的感应输能方式和实现中距离WPT的谐振输能方式，得出这两种方式的理论基础相同，表现形式不同。谐振式由于使用较高工作频率和高品质因素的谐振线圈，使得该方式更适用中距离范围内的能量传输。最后，首次对使用基尔霍夫电压定律（Kirchhoff’s Voltage Law，KVL）和带通滤波器理论（Band-Pass Filter Theory，BPFT）分析WPT系统进行了比较研究，得到结论：用BPFT分析WPT系统存在两个约束条件，并且指出基于BPFT分析是基于KVL分析的一特殊情况，即源端外加品质因素等于负载端外加品质因素情况。然而，相比较KVL分析，BPFT方法由于约束条件的存在而使得分析得以简化。 （b）有效增加传输距离的工作和创新点：在四线圈系统中，通过降低源馈电环与发射谐振线圈间及负载环与接收谐振线圈间的耦合强度，能有效的提高过耦合模区的范围，这样在过耦合模区使用最大归一化功率的频率追踪法可在适当降低最大归一化传输功率情况下实现更远距离较高效率（Power Transfer Efficiency，PTE）的能量传输。另一种提高传输距离的方法是在传统的两线圈系统中插入中继线圈，在这部分工作中，本文创新性的引入广义频率因子，从而实现对多中继线圈系统，特别是对加入单中继线圈系统频率特性的精确分析。 （c）实现设定目标的工作和创新点：对确定的用电设备充电时，需要充电的功率（Power Delivered toLoad，PDL）为定值，而WPT充电系统又要实现PTE最大化，因此实现系统最大PTE条件下定PDL传输的要求是本文的一目标。基于四谐振环系统，本文提出用负载匹配环实现PTE最大化，而通过调节源馈电环到发射环的耦合强度来控制PDL的定量传输，相比于使用外围匹配电路来调节PTE和PDL，提出的方案大大减小了系统的复杂度和外围电路带来的附加损耗。在加载中继线圈系统中，本文在不改变传输距离条件下，调节收发线圈相对中继线圈的角度来改变相互间的耦合强度，使用基本的优化算法和设计的优化函数获得最大PTE或最大PDL的传输。然而以优化最大PTE为目标时，系统的PDL就会低；同样以优化最大PDL为目标时，系统的PTE就会低。因此本文为同时获得较大的PTE和PDL提出了折中优化法，该方法通过调节PTE与PDL的权重因子来控制PTE与PDL的相对大小。 （2）对辐射近场高辐射效率天线传输方式实现中距离WPT主要工作和创新点如下： J.Lee等人根据球面模理论（Spherical Mode Theory，SMT）得出工作于辐射近场区WPT系统的PTE与收发天线的辐射效率均成正向关系，因此设计符合WPT系统的高辐射效率的电小天线是实现此类中距离传输系统的关键。基于人工超材料电小天线理论，即在常规电小偶极子天线外围加载负介电常数（Epsilon-Negative，ENG）材料球壳可设计匹配到馈电线阻抗上的全局高效率电小天线，本文在平面电小偶极子对侧加载产生感性作用的弯折导带以实现理论上ENG球壳的作用，成功设计出高全局效率和高辐射效率的电小天线，相比低辐射效率的电小天线，用此设计的电小天线组成WPT系统在辐射近场获得更高的传输效率。

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