基于磁耦合谐振的无线能量传输系统研究
发布时间：2021-09-08 13:03
随着社会的发展与进步,人类社会对电能的需求越来越大。无线能量传输,即在非物理接触的条件下实现电能的无线传输,作为一种新型能量传输方式受到了人们越来越多的关注和研究。本文对无线能量传输技术的研究主要集中在基于磁耦合谐振原理的无线能量传输系统的传输特性分析以及基于阻抗匹配原理的自适应功率追踪系统设计两个方面。本文的主要研究内容和贡献概括如下:1.研究了无线能量传输系统的传输特性,使用多种方法对无线能量传输系统进行建模,以此为基础推导了其最大功率传输和最大效率传输时的负载条件,并将其与系统的品质因数、耦合系数、互感等相关联,从而简化了分析结果。使用耦合模分析方法分析了线圈中静态、动态的能量变化,并提出了使用传输矩阵分析多线圈级联系统传输特性的分析方法,简化了其分析过程。2.分析了无线能量传输系统的无源和有源阻抗匹配网络设计方法,以及基于阻抗变换的最大功率点追踪和最大效率点追踪实现方法。阐述了不同阻抗变换方法的原理、实现方法以及适用范围,其中着重介绍了使用直流-直流变换器的有源阻抗匹配方法,分析了三种常见的直流-直流电路拓扑的工作原理,并总结了各自的适用范围。3.设计了基于扰动观察法控制策略原...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1双线圈磁耦合谐振系统等效电路
电子科技大学硕士学位论文88）我们可以看出，提高收发线圈的Q值可以提高最大传输效率。耦合系数k代表着两个线圈间的耦合程度，即两个物体或电路间能量交换的程度，k取值为0~1，k越大则意味着二者关联越紧密。由式（2-8）我们可以得出增大耦合系数k可以提高系统最大传输效率的结论。负载获得的功率的表达式为：222201,2222221,212211()()inLLLTXTLTXLMVRPIRMRRRRXXRXRXRX==+++++（2-9）将功率对电抗求偏导数得：01=XP,01X=，02=XP，02X=（2-10）由此可以看出，当线圈处于谐振状态时，负载得到的功率也是最大值。令=0，然后我们再对负载求偏导数，得到令输出功率最大的负载值为：=0LRP，2201,2-opt1LPXTXMRRRR=+=()21,2121XR+kQQ（2-11）此时负载得到的功率表达式为：22201,2max22201,2()inLoptPTXTLoptPMVRPMRRRR=++（2-12）比较式（2-7）和式（2-11）我们可以看到，实现最大传输效率和最大传输功率时的负载值并不相同。显然，实现最大传输效率的负载值比实现最大传输功率时的负载值要校图2-2磁耦合谐振系统仿真为了验证我们的分析与结论，我们进行了一个仿真设计。如图2-2所示，利用商业软件，我们搭建了一个工作在40MHz的双线圈磁耦合谐振系统，使用了相同的收发线圈，其电感为1.32uH，电容为12pF，欧姆损耗为0.2Ω，耦合系数k=0.01，
第二章无线能量传输系统特性分析9电源的有效值为1v。根据式（2-7）和式（2-11），我们计算出最大传输效率的负载值为6.64欧姆，最大传输功率的负载值为220.3欧姆，根据式（2-8）和式（2-12），此时的理论传输效率为94.15%，理论传输功率为0.624瓦特。图2-3（a）不同负载下的传输效率（b）不同负载下的传输功率图2-3为我们的仿真结果，其中图2-3（a）为不同负载时的系统传输效率，当负载与理论计算值相等为6.64欧姆时传输效率最大，达到了94.1%；图2-3（b）为不同负载时的系统传输功率，当负载与理论计算值相等为220欧姆时传输功率最大，为0.624W。由此可见和我们的理论分析十分符合，且实现最大传输效率的负载值小于最大传输功率的负载值，进一步证实了我们分析的正确性。2.1.2多线圈无线能量传输系统分析除了两线圈构成的无线能量传输系统外，四线圈构成的磁耦合谐振系统也被广泛研究。四线圈磁耦合谐振系统的研究始于文献[32]，相比两线圈构成的磁耦合谐振系统，四线圈磁耦合谐振系统在远距离传输上具有更高的效率，其原因我们在下文中进行分析。如图2-4所示为一个四线圈磁耦合谐振系统的等效电路，通常四线圈磁耦合谐振系统相邻线圈之间的互感远远大于非相邻电感之间的互感，因此在分析时只考虑相邻线圈之间的互感而忽略非相邻电感之间的互感。图2-4四线圈磁耦合谐振系统等效电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于输出能效特性的IPT系统磁耦合机构设计[J]. 王智慧,胡超,孙跃,戴欣. 电工技术学报. 2015(19)
[2]双中继无线电能传输系统建模及传输效率分析[J]. 王维,黄学良,周亚龙,曹伟杰,谭林林. 电工技术学报. 2014(09)
[3]磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J]. 翟渊,孙跃,戴欣,苏玉刚,王智慧. 中国电机工程学报. 2012(12)
[4]CLC谐振型感应电能传输系统的H∞控制[J]. 戴欣,余奎,孙跃. 中国电机工程学报. 2010(30)
博士论文
[1]IPT系统最大功率跟踪和最大效率跟踪研究[D]. 李小飞.重庆大学 2018
硕士论文
[1]无线充电系统的研究与设计[D]. 周晓明.天津理工大学 2015
本文编号：3390834
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1双线圈磁耦合谐振系统等效电路
电子科技大学硕士学位论文88）我们可以看出，提高收发线圈的Q值可以提高最大传输效率。耦合系数k代表着两个线圈间的耦合程度，即两个物体或电路间能量交换的程度，k取值为0~1，k越大则意味着二者关联越紧密。由式（2-8）我们可以得出增大耦合系数k可以提高系统最大传输效率的结论。负载获得的功率的表达式为：222201,2222221,212211()()inLLLTXTLTXLMVRPIRMRRRRXXRXRXRX==+++++（2-9）将功率对电抗求偏导数得：01=XP,01X=，02=XP，02X=（2-10）由此可以看出，当线圈处于谐振状态时，负载得到的功率也是最大值。令=0，然后我们再对负载求偏导数，得到令输出功率最大的负载值为：=0LRP，2201,2-opt1LPXTXMRRRR=+=()21,2121XR+kQQ（2-11）此时负载得到的功率表达式为：22201,2max22201,2()inLoptPTXTLoptPMVRPMRRRR=++（2-12）比较式（2-7）和式（2-11）我们可以看到，实现最大传输效率和最大传输功率时的负载值并不相同。显然，实现最大传输效率的负载值比实现最大传输功率时的负载值要校图2-2磁耦合谐振系统仿真为了验证我们的分析与结论，我们进行了一个仿真设计。如图2-2所示，利用商业软件，我们搭建了一个工作在40MHz的双线圈磁耦合谐振系统，使用了相同的收发线圈，其电感为1.32uH，电容为12pF，欧姆损耗为0.2Ω，耦合系数k=0.01，
第二章无线能量传输系统特性分析9电源的有效值为1v。根据式（2-7）和式（2-11），我们计算出最大传输效率的负载值为6.64欧姆，最大传输功率的负载值为220.3欧姆，根据式（2-8）和式（2-12），此时的理论传输效率为94.15%，理论传输功率为0.624瓦特。图2-3（a）不同负载下的传输效率（b）不同负载下的传输功率图2-3为我们的仿真结果，其中图2-3（a）为不同负载时的系统传输效率，当负载与理论计算值相等为6.64欧姆时传输效率最大，达到了94.1%；图2-3（b）为不同负载时的系统传输功率，当负载与理论计算值相等为220欧姆时传输功率最大，为0.624W。由此可见和我们的理论分析十分符合，且实现最大传输效率的负载值小于最大传输功率的负载值，进一步证实了我们分析的正确性。2.1.2多线圈无线能量传输系统分析除了两线圈构成的无线能量传输系统外，四线圈构成的磁耦合谐振系统也被广泛研究。四线圈磁耦合谐振系统的研究始于文献[32]，相比两线圈构成的磁耦合谐振系统，四线圈磁耦合谐振系统在远距离传输上具有更高的效率，其原因我们在下文中进行分析。如图2-4所示为一个四线圈磁耦合谐振系统的等效电路，通常四线圈磁耦合谐振系统相邻线圈之间的互感远远大于非相邻电感之间的互感，因此在分析时只考虑相邻线圈之间的互感而忽略非相邻电感之间的互感。图2-4四线圈磁耦合谐振系统等效电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于输出能效特性的IPT系统磁耦合机构设计[J]. 王智慧,胡超,孙跃,戴欣. 电工技术学报. 2015(19)
[2]双中继无线电能传输系统建模及传输效率分析[J]. 王维,黄学良,周亚龙,曹伟杰,谭林林. 电工技术学报. 2014(09)
[3]磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J]. 翟渊,孙跃,戴欣,苏玉刚,王智慧. 中国电机工程学报. 2012(12)
[4]CLC谐振型感应电能传输系统的H∞控制[J]. 戴欣,余奎,孙跃. 中国电机工程学报. 2010(30)
博士论文
[1]IPT系统最大功率跟踪和最大效率跟踪研究[D]. 李小飞.重庆大学 2018
硕士论文
[1]无线充电系统的研究与设计[D]. 周晓明.天津理工大学 2015
本文编号：3390834
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