磁耦合谐振式无线电能传输系统功效分析及优化设计

发布时间：2020-08-23 15:21

【摘要】：磁耦合谐振式无线电能传输技术具备传输距离远、效率高的优点,在人们的日常生活中具有广阔的应用前景。经过多年科学研究,磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理和特点,已为人熟知,但在工程实用化中遇到的技术难题限制了该技术的使用推广。分析特定领域无线电能传输系统传输特性,提升系统实用性,是当今无线输电领域的研究热点。本文针对电动汽车动态无线充电、平面无线充电平台、高频小功率系统以及中距离无线供电四类主要应用,分析了各自的功效特性,提出了提升功率稳定性、传输效率和传输距离的优化方法,为促进磁耦合谐振式无线电能传输技术的实用化,提供了可行的技术解决方案。全文主要研究内容和创新点如下:(1)针对电动汽车动态无线充电系统中,传输线圈位置改变引起的输出功率剧烈波动问题,提出了原边非谐振-副边谐振的串串电路模型。通过原边补偿电容的优化设计,稳定线圈偏移状态下的系统输出功率。利用副边合适的斩波电路,提高动态充电系统平均效率。搭建了采用副边升压电路的串串模型无线输电系统样机,进行了线圈偏移实验测试。结果表明了当传输线圈耦合系数变化率为200%时,输出功率维持稳定,而且系统的平均效率可达88.6%。(2)通过理论分析相对充电高度与方形线圈上方平面磁场分布的密切联系,说明了当充电高度较大时普通方形线圈在调控磁场方面的局限。提出了适用于较远充电平面均匀磁场调节的多重反平行方形发射线圈,用以削弱无线充电平台中接收器位置改变引起的负载功率波动。搭建了充电高度为5 cm的基于普通方形线圈以及新型发射线圈的平面无线充电系统,验证了理论预测。当采用新型发射线圈且接收线圈于26 cm×26 cm充电区域内移动时,系统的输出功率和效率维持稳定。(3)在高频小功率无线输电系统中,近距离时会出现传输功率的频率分裂现象,且系统功率会随传输距离的增大而剧烈衰减。为了提升系统传输功率的稳定性,提出了基于非等大线圈的混联电路模型。利用非等大线圈抑制线圈耦合强度,消除近距离频率分裂。通过混联电路的合理设计,提升高功率传输效率的传输距离。搭建了9.7 MHz的基于非等大线圈的高频混联无线输电系统,实验结果表明:当传输距离由3 cm增大至24 cm时,未出现频率分裂,且传输系数|S_(21)|的衰减值仅为3.4 dB。(4)为了提升中距离无线输电系统传输效率,分析了四线圈系统的传输特性,总结了系统频率、线圈品质因子以及线圈匹配对于系统效率的影响。为了提升传输线圈的耦合强度,基于负磁超材料的电磁聚焦效应,设计了谐振环超材料结构单元,工作频率为2.8 MHz时,其等效磁导率为-1.1。搭建了基于方形传输线圈以及圆形传输线圈的四线圈无线输电系统,探究了超材料加载后系统效率的变化规律。选取圆形线圈的系统传输效率比方形线圈系统提高了5%。当超材料选取最优的加载位置后,传输距离为1.4 m和2 m时,效率分别提升了11.4%和5%。实验验证了负磁超材料对于提升中距离无线输电系统效率的重要意义。从提升效率、提高传输距离和增强系统功率稳定性方面入手,探究四种无线输电系统的传输特性,提出了各自系统的优化设计方法,能为提升无线电能传输系统的稳定性和实用性奠定基础。同时,将超材料设计和无线电能传输技术有机结合,验证了负磁超材料在提升电能传输效率方面的现实意义,为无线电能传输系统优化提供有效的技术途径。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724

【参考文献】