中短距离磁耦合无线能量传输研究与应用

摘要

随着电子产品对供能的通用性、便携性及可持续性使用要求越来越高,无线能量传输(WPT)特别是对于中短距离无线能量传输的研发越来越迫切。毫无疑问中短距离磁耦合无线能量传输是一项非常新颖和实用的供能技术,此技术与传统供能方式即有线供电相比具有电子产品移动性强、极不易产生接触性火花、环境美观以及无电线暴露等特点,这些特点使此技术极其适用于便携式电子设备、不稳定易燃易爆环境下设备供能以及环境美化等特殊条件下的供能。此技术的研究与应用将极大的加强国内供能技术研究薄弱环节,并且所研究的高稳定安全性、中短距离、高效率及大功率的技术具有广阔的前景和极高的价值,不仅可应用于电动能源车辆充电体系、无线传感体系及无线射频识别(RFID)方面,并且还在智能家居体系、便携式电子移动设备、工业型智能机器、油田矿井等领域有极高的研究与应用价值,对电磁理论和应用技术的发展与普及具有深远的意义。
　　本文主要针对中短距离磁耦合无线能量传输系统进行研究与探索,通过理论论证、子系统仿真与优化、总体系统调试与测试,验证了中短距离磁耦合无线能量传输的可应用性与高效率性。开创性的设计与制作出可连接日常交流电源的印刷电路板(PCB)磁耦合无线能量传输整机系统,并且需注意的是整机系统的工作距离与工作能量传输效率是整篇论文的研究重点与核心。
　　在本论文开始阶段,首先对三种无线能量传输技术进行对比阐述,并对中短距离磁耦合无线能量传输的国内外现状进行分析,简要的指出课题的主要工作内容和研究意义。
　　然后,通过耦合模式理论对磁共振耦合模型进行理论分析,并基于基尔霍夫回路电压方程分别对非补偿共振电路和三种补偿共振电路进行理论推导与分析。
　　接着,通过电磁理论方法对磁共振耦合线圈系统进行理论推导和特性研究,并基于等效电路分析、HFSS仿真以及ADS仿真对补偿共振电路进行负载输出功率、能量传输效率和补偿电容研究。
　　随后,分别对系统中的初级驱动电路和次级整流电路进行实际应用芯片确定及其工作原理分析,绘制系统初级整体电路和次级整体电路结构图。
　　其次,对磁耦合无线能量传输系统进行调试与实验测试,确定最优补偿电容和工作频率,实现可连接日常交流电进行无线能量传输。
　　在本论文结尾部分,对课题所做工作进行总结,并对后续工作进行展望,阐述需要进一步改进的研究方向。

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第一章 绪 论

1.1 选题研究背景与意义

1.2 中短距离磁耦合无线能量传输的国内外研究现状

1.3 本课题主要研究工作与意义

1.4 本论文架构安排

第二章 磁共振耦合理论概述

2.1 磁共振耦合理论

2.2 磁共振耦合基础系统电路理论

2.3 磁共振耦合补偿系统电路理论

2.4 本章小结

第三章 磁共振耦合线圈系统理论分析和模拟仿真

3.1 磁共振耦合线圈系统电磁理论分析与仿真

3.2 磁共振耦合线圈系统等效电路理论分析与仿真

3.3 磁共振耦合线圈系统设计、仿真与测试

3.4 本章小结

第四章 磁共振耦合电路设计与制作

4.1 中短距离磁耦合无线能量传输系统整体架构分析

4.2 驱动MOSFET管工作原理

4.3 初级驱动电路设计与初级整体电路制作

4.4 次级整流电路设计与次级整体电路制作

4.5 本章小结

第五章 中短距离磁耦合无线能量传输系统实验测试

5.1 中短距离磁耦合无线能量传输系统调试

5.2 中短距离磁耦合无线能量传输系统测试

5.3 本章小结

第六章 课题总结与未来工作展望

6.1 课题总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果