基于磁谐振耦合的高效率无线能量传输技术研究

摘要

磁谐振耦合无线能量传输技术相比于磁感应技术和微波输能，兼顾有距离适中、效率适中和功率适中的优点，所以近些年来一直是国内外学者研究的热点。目前该技术存在收发线圈之间需要点对点正对传输、传输效率受传输距离和收发线圈相对位置的改变影响严重以及系统效率低等问题。 本文主要对工作频率为 13.56MHz 的磁谐振耦合无线能量传输系统的效率进行研究，设计了高效率的功放源、高效率的收发线圈和整流稳压电路，力图通过提高系统中各个模块的效率，来实现系统高效率传输。此外，针对上述存在的一些主要问题，文章通过在线圈结构和匹配优化电路上的改进设计得以解决。本文主要研究内容和创新之处如下： 一、为了提高系统发射源的效率，本文设计了一款基于磁谐振耦合的高效率功率放大器，工作频率为13.56MHz，输出功率大于10W，通过电路仿真优化和实验调试，功率放大器的效率大于80%。 二、设计了工作频率为6.78MHz和13.56MHz的平面螺旋收发线圈，通过建模仿真、电路匹配和效率优化，实现任意传输距离下对应的最大效率。文章分析了传输距离改变对传输效率的影响，提出电容匹配调节的方法实现了能量传输效率随距离变化可调，并通过实验验证。 三、本文采用阵列线圈的结构有效地实现了空间磁场均匀分布，当接收线圈在发射线圈上方一定范围内任意平行移动充电时都可保持传输效率基本不变，解决了点对点传输问题；同时通过电容匹配优化的方法实现了接收线圈相对于发射线圈在一定倾斜角度内任意放置时传输效率保持稳定不变，解决了非正对情况下效率下降的问题，文章通过模型仿真和实验测试进行了验证，在此基础上进行了多个接收端工作时传输效率的优化仿真和测试。 四、设计和加工了整流稳压电路，搭建磁谐振耦合无线能量传输系统，进行系统联调和效率测试，同时对手机、LED 灯等一对多无线充电场合以及复杂应用场景下系统的工作状态和稳定性进行了实验测试。

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