基于传输节点的磁共振能量传输技术研究

发布时间：2020-07-27 07:46

【摘要】：无线能量传输是通过电磁能或电磁波实现电能无线传输的技术。它具有安全性好,可靠性高,维护成本低和环境适应性强等优点。近年来,伴随着电子器件、测量控制、功率转换等技术的不断更新,无线能量传输技术获得了飞速的发展。医疗、交通、生活、军事、电力等越来越多的领域都出现了无线能量传输的应用实例。不同的应用领域也对无线能量传能技术提出了更高、更明确的要求。磁共振式无线能量传输是基于磁耦合共振原理的一种无线能量传输模式,它利用非辐射的磁场耦合实现能量传输,在两倍共振线圈直径的传输距离下传输效率可高达80%。传输中收发端无需精确对准,传输具有良好的穿透性。论文围绕磁共振式无线能量传输,在基于传输节点的系统建模基础上,对磁共振系统的小型化设计、稳定性控制、复用性设计等方面展开研究,旨在推动无线能量传输向实际应用领域的转化。首先,论文将传输中的谐振单元定义为传输节点;根据节点端口的有源和无源特性,将传能系统划分为单有源单无源、单有源多无源、多有源单无源和多有源多无源四大类,将不同应用场景、不同实现方式的无线能量传输系统进行归类;建立各类系统基于传输节点的等效模型,将系统中各种谐振单元及单元之间繁杂的耦合关系,简化为明确的电路结构和元件关系,简化系统分析的复杂度,提高设计的便易性。虽然论文主要研究的是磁共振无线能量传输,但此分类方式同样也适用于其他各类无线能量传输的分类。接着,在等效模型的基础上,论文研究了小尺寸单有源单无源系统在封闭介质环境中的能量传输;对系统中出现的频率失谐现象进行分析,提出基于节点物理结构控制的频率跟踪技术,增强系统的稳定性;并对节点的物理结构进行优化,提高系统传输效率,为小尺寸高频段磁共振无线能量传输在医疗植入设备中的应用提供参考。然后,论文提出两种单有源多无源无线能量传输结构,分别改善频率分裂和提高传输带宽,增强传能系统的稳定性和复用性。针对单有源单无源系统频率分裂时谐振频点处传输效率急剧下降现象,论文提出含平行辅助节点的单有源多无源结构及其设计方案,在不改变原节点结构和传输距离的情况下,提高频率分裂时的系统传输效率。考虑到信息能量同传对传输系统的带宽需求与单有源单无源系统窄带传输之间的冲突,论文提出基于耦合滤波器理论的含中继的单有源多无源结构设计方案,通过数值拟合和数值计算实现中继节点的优化架构,在提高系统传输效率的同时,改善传输带宽,提高信息传输的速率。而后,论文对双频节点结构进行研究,以简化多有源多无源能量传输的设计。为了兼容不同传能标准,或者为了满足高接收功率的需求,系统常常需要进行多频段同时传输能量。采用具有两个或两个以上的谐振频点的多频节点实现多频段传输,可减少传输节点数目,降低传输节点体积,简化实现。论文从等效谐振电路角度探讨了多频节点的设计和阻抗匹配的实现,提出了L型、层叠型和平面紧凑型双频节点的设计方法,对节点的双频传输性能进行分析,并将其与现有传能标准(A4WP,Alliance for Wireless Power)设备和近距离无线通讯(Near Field Communication,NFC)设备进行信息能量同传,为系统信能同传的一体化设计提供了一种简便、有效的实现。最后,论文对完成的工作及取得的研究成果进行总结,指出了研究的不足以及未来的探索方向。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92;O482.531
【图文】：

量传输技术概述无线能量传输的提出与发展 Marin Soljacic 和其研究团队利用磁共振的方式，使用两个旋线圈，成功点亮了在 2 米之外一个 60W 的灯泡（如图技术。该团队为这项技术命名为“WiTricity（WirelessEle技术。在其发表的文献[2]中，作者建立了基于耦合模理论方法，从理论上探究了磁共振式无线能量传输技术的近后的几年内，磁共振式无线能量传输技术成为了各大研

图 1.2 带中继的无尾电视[33]美国斯坦福大学研究小组对深组织微植入式能量传输进行研究[34]，提近场，实现微小尺寸（mm 级）深组织（>5cm）下毫瓦级能量的安全和工作场景如图 1.3 所示。图 1.3 微型植入式心脏起搏器[34]京大学研究团队对螺旋线圈开路、短路、串联电容和并联电容时的传用高阶自谐振短路线圈实现了 85kHz 与 6.78MHz 的双频线圈设计[3

垂直中继的磁共振能量传输系统，实现 150 瓦 47 寸无尾 LED 电视的无线供电，如图 1.2所示。整机传输效率达 80%。图 1.2 带中继的无尾电视[33]2014 年美国斯坦福大学研究小组对深组织微植入式能量传输进行研究[34]，提出使用特制金属板控制近场，实现微小尺寸（mm 级）深组织（>5cm）下毫瓦级能量的安全无线传输，其植入部分和工作场景如图 1.3 所示。

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本文编号：2771557