基于磁耦合谐振的无线电力传输系统特性研究

摘要

近年来，无线电力传输技术由于在特殊场合的广阔应用前景逐渐成为研究热点。在诸多无线电力传输技术中，磁耦合谐振无线电力传输技术与电磁感应和微波等方式相比，具有中等传输距离、传输效率高、对线圈错位不敏感等明显优势。磁耦合谐振无线电力传输技术现已有诸多相关研究成果，但大都为理论化研究且尚未成熟，距离实际应用还有很多关键问题亟待解决，如理论与模型尚不完善、在距离变化和负载变化情况下的性能稳定性、对周围环境的电磁干扰等。
　　磁耦合谐振无线电力传输系统的传输性能，如功率、效率等，会受到诸多因素影响，各因素之间存在复杂的内在联系。针对各个因素对系统传输性能的影响规律，以及因素之间的相互关联规律，目前尚未有较为系统的研究成果，本文在建立磁耦合谐振无线电力传输系统互感模型的基础上，深入分析了各因素对系统的影响，为提高系统传输性能提供了理论基础。
　　本文首先介绍了无线电力传输技术，并对比分析了其中的三种常见技术，总结了磁耦合谐振技术目前国内外的发展现状。建立了基于耦合模理论与电路理论的系统模型，对磁耦合谐振技术的内在能量传输机理进行了深入阐释，并分析了两种模型之间的相通性。在电路互感模型基础上，详细分析了自谐振频率、工作频率、传输距离、负载变动等因素对系统的功率与效率的影响。最后，本文采用非对称半桥逆变电路与矩形传输线圈，设计了自谐振频率约405kHz且能够工作在ZVS状态的无线电力传输硬件系统，成功点亮了50cm外40W的灯泡。为了验证理论分析的正确性，本文进行了实验验证，实验结果与理论分析具有较好的一致性。
　　本文还针对磁耦合谐振技术对障碍物的穿透能力进行了实验研究，证明了传输性能对金属障碍物质较为敏感;而对非金属障碍物则具有较强穿透能力，能量传输不受其影响。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 无线电力传输技术简介

1．2．1 电磁感应方式

1．2．2 磁耦合谐振方式

1．2．3 微波方式

1．2．4 电场耦合方式

1．2．5 激光方式

1．2．6 超声波方式

1．3 三种常见WPT技术对比

1．4 磁耦合谐振WPT技术国内外发展现状

1．4．1 国外研究成果

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文的主要研究内容

第二章 磁耦合谐振无线电力传输原理与系统建模

2．1 磁耦合谐振无线电力传输系统构成与原理

2．1．1 磁耦合谐振无线能量传输系统的构成

2．1．2 磁耦合谐振无线能量传输工作原理

2．2 基于CMT的磁耦合谐振无线电力传输系统模型

2．2．1 LC谐振基础分析

2．2．2 耦合谐振电路分析

2．2．3 基于CMT的完整磁耦合谐振WPT系统模型

2．3 基于电路理论的磁耦合谐振无线电力传输系统模型

2．4 基于CMT与电路理论两种模型之间的对等性

2．5 本章小结

第三章 磁耦合无线电力传输系统的传输性能分析

3．1 频率对传输性能的影响

3．1．1 自谐振频率对系统传输性能的影响

3．1．2 输入电源工作频率对系统传输性能的影响

3．2 负载阻值对传输性能的影响

3．2．1 负载变化对功率的影响

3．2．2 负载变化对传输效率的影响

3．2．3 最大功率负载点与最大效率负载点的关系

3．3 耦合系数对系统的影响及频率分裂现象

3．3．1 传输距离及线圈方向对耦合系数的影响

3．3．2 耦合系数对系统影响及频率分裂现象

3．4 本章小结

第四章 磁耦合谐振无线电力传输系统设计

4．1 磁耦合谐振WPT硬件系统构成

4．2 发送端高频逆变电路设计

4．2．1 高频逆变电路的选型

4．2．2 非对称半桥逆变电路ZVS工作原理

4．2．3 逆变电路器件参数选择

4．3 接收端电路设计

4．3．1 整流滤波电路设计

4．3．2 功率控制DC／DC设计

4．3 本章小结

第五章 磁耦合谐振无线电力传输系统实验与分析

5．1 非对称半桥开关管的ZVS开通

5．2 负载变化对系统的影响实验

5．3 传输距离对系统的影响实验

5．4 线圈横向偏移对系统的影响实验

5．5 线圈传输角度对系统的影响实验

5．6 频率特性实验

5．7 Buck电路恒流／恒压输出实验

5．8 磁耦合谐振WPT穿透性实验

5．8．1 非金属材料穿透性实验

5．8．2 金属障碍物穿透性实验

5．9 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢