面向不同传输距离的共振式无线电能传输技术
发布时间：2020-09-11 16:11
随着科学技术的日益发展,近年来有关无线电能传输技术的研究受到了国内外学者的广泛关注。相较于传统的电力传输系统,无线电能传输系统具有安全可靠性强及使用灵活便捷度高的技术优势,同时也适用于一些特殊使用场景。随着电子信息技术的快速发展,移动电子通讯设备及可穿戴设备的广泛应用,新能源汽车和轨道交通的不断普及,无线电能传输技术拥有广阔的应用前景。相较于其他类别的无线电能传输技术,磁共振式无线电能传输技术具有传输效率较高且传输距离较远的特性,使得其成为目前无线电能传输技术中最为热门的研究方向。本文面向三种不同传输距离的共振式无线电能传输技术进行研究,重点关注系统效率的提升,在介绍了基本概念及相关理论的基础上,主要内容为对传输线圈回路,前端功率放大器及自适应阻抗匹配电路进行分析设计,具体工作如下:(1)采用平面微带线圈结构与电容匹配网络共同组成谐振线圈回路,并将其等效成二端口网络,采用S_(21)参数对传输效率进行有效的评估。利用CST软件对尺寸为20cm*20cm的线圈回路进行建模仿真,在谐振频点为6.78MHz的条件下,分别得到8cm,10cm,12cm三种传输距离下使得S_(21)参数值最佳时的匹配电容值,并搭建线圈回路进行实验测试,以1V为参考基准,得到8cm,10cm及12cm下传输线圈回路两端口间S_(21)峰值分别为937mV,923mV及885mV。(2)在介绍前端功率放大器的基本分类及对比的基础上,选用E类功率放大器作为磁共振式无线电能传输系统的高频电源并进行相关分析。根据经典计算公式得到E类功放电路的相关参数,利用ADS软件进行仿真设计,通过进一步电路调试优化得到工作频率6.78MHz下功率附加效率为81.2%,并且级联E类功放,传输线圈及整流模块进行三种距离下系统的搭建与效率测试,得到8cm,10cm及12cm系统效率分别为61.3%,57.1%及50.8%。(3)结合本文传输线圈回路的特性进行三种传输距离下自适应阻抗匹配电路方案的设计及验证。提出相关自适应阻抗匹配电路方案,并介绍含有匹配电容阵列的线圈回路设计。通过对比自适应电路的模块选型方案,对所选用的单元电路模块功能进行介绍。利用Proteus软件进行自适应阻抗匹配电路的仿真验证,并搭建相关电路进行测试,实现了在距离变动时电容阵列电路准确切换的功能,验证理论分析的正确性。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM724
【部分图文】：
通过二端口网络理论中的 S 参数、T 参数及 Z参数能够对系统各端口的增益特性和损耗特性进行测量，二端口网络示意图如图 2.1 所示。图2.1 二端口网络示意图其特征矩阵如表 2.1 所示。表2.1 二端口网络理论特征矩阵Z 矩阵 T 矩阵 S 矩阵1 11 12 12 21 22 2V IV -IZ ZZ Z 1 21 2V a bVI c d-I 1 11 12 12 21 22 2b S S ab S S a 其中在射频段使用最多的为 S 参数，利用矢量网络分析仪进行网络损耗的测试，其中11S 表示端口 1 的反射系数，21S 表示端口 1 到端口 2 的正向传输系数[17]。当GZ与LZ 值和特征阻抗相等时，传输效率 只与传输参数21S 有关。采用二端口网络理论作为分析方法，模型结构较为简单，有助于进行磁共振式无线电能传输系统的阻抗匹配技术的研究，有效地简化了系统的优化设计。2.1.3 电路互感理论根据互感理论和基尔霍夫定理建立有关 MCR-WPT 系统的电路模型，并进行简化分析，对系统的发射、接收两线圈SL 和DL 进行等效分析
（a） （b）图2.6 L 型匹配网络的基本拓扑结构 型匹配网络电路虽然具有结构清晰简洁、器件成本度低和可靠性较好的优存在着频率响应特性较差的问题。设 L 型匹配网络的谐振频率为0f ，BW 为 3dB 带宽，则可得 L 型匹配网质因数 Q 与带宽 BW 的关系为：0fBWQ (常，L型匹配网络工作在 Q 值较大，工作频率范围较窄的情况下。为了改阻与输出端电阻在阻值相近的条件下，L 型匹配网络的 Q 值会变得较低将多个 L型匹配网络进行串联，来形成 T 型和 π 型匹配网络。 型匹配网络电路的四种基本拓扑结构如图 2.7 所示。LC2L
[29]。图2.9 史密斯圆图图2.10 阻抗点移动示意图史密斯圆图阻抗点移动示意图如图2.10 所示，在使用时通常需要掌握以下几点：（1）复数阻抗串联附加的电抗元件，将使得该复数阻抗在史密斯圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动。（2）复数阻抗并联附加的电抗元件，将使得该复数阻抗在史密斯圆图上的相应导纳点沿等电导圆移动[30]。（3）关于史密斯圆图中参量点的移动方向，如果连接的是电感，则参量点向史密斯圆图的上半圆移动；如果连接的是电容，则参量点向史密斯圆图的下半圆移动。此外，通过使用工具软件 Smith V3.1 观察阻抗在史密斯圆图上的变换过程，能够较为直观地感受到每个电路元件在对实现特定匹配状态时所起的作用。通过使用工具软件 Smith V3.1
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM724
【部分图文】：
通过二端口网络理论中的 S 参数、T 参数及 Z参数能够对系统各端口的增益特性和损耗特性进行测量，二端口网络示意图如图 2.1 所示。图2.1 二端口网络示意图其特征矩阵如表 2.1 所示。表2.1 二端口网络理论特征矩阵Z 矩阵 T 矩阵 S 矩阵1 11 12 12 21 22 2V IV -IZ ZZ Z 1 21 2V a bVI c d-I 1 11 12 12 21 22 2b S S ab S S a 其中在射频段使用最多的为 S 参数，利用矢量网络分析仪进行网络损耗的测试，其中11S 表示端口 1 的反射系数，21S 表示端口 1 到端口 2 的正向传输系数[17]。当GZ与LZ 值和特征阻抗相等时，传输效率 只与传输参数21S 有关。采用二端口网络理论作为分析方法，模型结构较为简单，有助于进行磁共振式无线电能传输系统的阻抗匹配技术的研究，有效地简化了系统的优化设计。2.1.3 电路互感理论根据互感理论和基尔霍夫定理建立有关 MCR-WPT 系统的电路模型，并进行简化分析，对系统的发射、接收两线圈SL 和DL 进行等效分析
（a） （b）图2.6 L 型匹配网络的基本拓扑结构 型匹配网络电路虽然具有结构清晰简洁、器件成本度低和可靠性较好的优存在着频率响应特性较差的问题。设 L 型匹配网络的谐振频率为0f ，BW 为 3dB 带宽，则可得 L 型匹配网质因数 Q 与带宽 BW 的关系为：0fBWQ (常，L型匹配网络工作在 Q 值较大，工作频率范围较窄的情况下。为了改阻与输出端电阻在阻值相近的条件下，L 型匹配网络的 Q 值会变得较低将多个 L型匹配网络进行串联，来形成 T 型和 π 型匹配网络。 型匹配网络电路的四种基本拓扑结构如图 2.7 所示。LC2L
[29]。图2.9 史密斯圆图图2.10 阻抗点移动示意图史密斯圆图阻抗点移动示意图如图2.10 所示，在使用时通常需要掌握以下几点：（1）复数阻抗串联附加的电抗元件，将使得该复数阻抗在史密斯圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动。（2）复数阻抗并联附加的电抗元件，将使得该复数阻抗在史密斯圆图上的相应导纳点沿等电导圆移动[30]。（3）关于史密斯圆图中参量点的移动方向，如果连接的是电感，则参量点向史密斯圆图的上半圆移动；如果连接的是电容，则参量点向史密斯圆图的下半圆移动。此外，通过使用工具软件 Smith V3.1 观察阻抗在史密斯圆图上的变换过程，能够较为直观地感受到每个电路元件在对实现特定匹配状态时所起的作用。通过使用工具软件 Smith V3.1
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本文编号：2816881
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