基于磁谐振耦合的多中继多接收端无线能量传输技术研究

摘要

无线能量传输技术可以实现非接触式的充电,其在充电安全性和灵活性上拥有巨大优势,特别是在一些智能设备和特种领域中运用十分广泛.早在特斯拉提出无线能量传输概念以来,国内外学者先后投入了大量的研究在无线能量传输技术领域,到现在逐渐成为学术界的研究热点问题.其中又以磁谐振耦合无线能量传输技术研究最为广泛,因为其拥有较高传输效率的同时又兼顾了中等的传输距离,且功率能实现上千瓦的量级的优点.目前该技术的研究更多的还处在一对一输能系统的研究,一对多个接收端的研究还较少,特别是系统的传输状态和重要参量的分析还没有较为系统的研究.此外,磁谐振耦合无线能量传输技术的传输距离依然受线圈尺寸限制,在尺寸受限的条件下无法实现更远的传输距离和较高的效率,这也是该技术作为实际运用的难点问题. 本文在调研了大量国内外文献的基础上,主要针对磁谐振耦合多中继多接收端无线能量传输系统进行研究并设计了多套系统,分别研究了传输系统的重要参量:传输功率,传输效率,以及它们随接收端数量和中继位置变化的情况的特性分析.设计了高效率的逆变电源、高效率的收发线圈,中继线圈,最佳阻抗匹配电路和多种整流稳压电路,在传输理论和系统设计上有了深入研究. 本文主要研究内容和创新之处如下: 一、提出低频磁谐振的输能系统,系统组成有别于6.78MHz和13.56MHz(ISM频段)输能系统,发射源采用逆变电源,能有效提高转换效率和发射功率,性能好成本低,对比了其性能优势. 二、通过电路理论分析了磁谐振耦合式无线能量传输系统,通过HFSS和Maxwell提取各线圈参数和线圈之间的耦合系数,在ADS软件中进行电路仿真,研究了系统的传输状态,包括频率特性,负载特性和距离特性.通过仿真和实验的反复优化,实现系统的最佳传输状态;对比了加入中继线圈后传输距离上的优势,研究了中继线圈轴向不同位置和横向不同位置对传输效率的影响.;针对于多接收端系统提出了接收端处于不同位置,不同负载,实现任意功率分配的电容调配方法,并通过实验验证该方法的正确性. 三、本文研究了接收端串、并联谐振状态下最佳负载的变化规律并得出了一般化结论;提出了任意负载变换到系统最佳负载的方法,通过仿真和实验验证该方法的正确性;从多接收端电路理论出发,推导了各接收端接收功率及系统功率分配比的数学表达式,明确了影响参量,通过提取发射与各接收端的线圈耦合模型,进行电路仿真和电容匹配实现了不同接收端任意功率分配. 四、本文研究设计了一款全桥逆变电源,工作频率为1KHz~1MHz,输出功率最大可达300W,可通过自制或外接信号发生器实现功率输出控制,转换效率超过95%;研制了两款不同功率级别的整流稳压电路,将发射源、传输线圈、接收电路组合在冰箱中搭建了多中继多接收端的磁谐振耦合无线能量传输系统并进行了系统测试.

目录

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 无线能量传输的主要方式和发展现状

1.2.1 磁感应耦合式

1.2.2 电场耦合式

1.2.3 微波辐射式

1.2.4 激光式

1.2.5 磁谐振耦合式

1.3 存在的主要问题

1.4 论文研究内容和结构安排

第二章 磁谐振耦合无线能量传输理论分析和建模

2.1 近场理论

2.2 电路理论

2.2.1 串联谐振电路

2.2.2 并联谐振电路

2.3传输状态分析

2.3.1 频率特性分析

2.3.2 距离特性分析

2.3.3 负载特性分析

2.3.4 线圈特性分析

2.4 本章小结

第三章 多中继磁谐振耦合无线能量传输系统

3.1 多中继线圈MRCPT传输理论

3.2 中继传输的状态分析

3.2.1 传输距离对比

3.2.2 中继线圈轴向距离变化

3.2.3 中继线圈横向距离变化

3.3 本章小结

第四章 多接收端磁谐振耦合无线能量传输系统

4.1 多接收端MRCPT传输理论

4.2 最大传输效率匹配

4.2.1 最大传输效率阻抗匹配实验测试

4.3 多接收端功率分配控制

4.4 多接收端功率分配实验

4.5 一对四功率自适应MRCPT系统

4.6 本章小结

第五章 系统搭建和实验测试

5.1 系统整体设计

5.2 信号发生器设计

5.3 驱动电路设计

5.4 逆变电路设计

5.5 整流滤波电路设计

5.6 稳压电路设计

5.7 系统测试和应用

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果