磁耦合谐振式无线能量传输技术研究

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 . (1)

1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.2.1 传输功率、效率研究 (2)

1.2.2 传输距离研究 (6)

1.3 各方案总结与评价 (8)

1.4 本文主要研究内容 (9)

第2章磁耦合谐振式无线能量传输系统建模 (10)

2.1 引言 (10)

2.2 磁耦合谐振式系统的组成 (10)

2.3 无线能量传输系统的建模 (10)

2.3.1 两线圈谐振系统建模 (10)

2.3.2 三线圈谐振系统建模 (13)

2.4 负载和耦合系数变化对系统性能的影响 (15)

2.4.1 负载变化对系统性能影响 (16)

2.4.2 耦合系数变化对系统性能影响 (17)

2.5 本章小结 (18)

第3章磁耦合谐振式系统的设计与分析 (19)

3.1 引言 (19)

3.2 谐振网络的设计 (19)

3.2.1 耦合线圈 (19)

3.2.2 谐振电容 (22)

3.3 高频逆变电路的设计 (23)

3.3.1 E类功率放大器的工作状态及分析 (23)

3.3.2 E类功率放大器的参数计算和调整 (25)

3.3.3 参数改进型E类功率放大器 (26)

3.4 全桥整流及E类整流电路 (28)

3.4.1 全桥整流电路及E类整流电路设计 (28)

3.4.2 全桥整流电路和E类整流电路对比 (31)

3.5 阻抗匹配网络 (31)

3.5.1 DC/DC变换器 (31)

3.5.2 阻抗匹配网络的对比分析 (33)

3.6 本章小结 (33)

第4章磁耦合谐振式传输特性分析及仿真研究 (34)

4.1 引言 (34)

4.2 两级线圈能量传输距离变化仿真分析 (34)

4.3 综合指标的提出 (36)

4.4 负载调制型E2传输结构 (38)

4.5 参数改进型E类功率放大器 (41)

4.6 本章小结 (45)

第5章磁耦合谐振式传输特性实验 (46)

5.1 引言 (46)

5.2 两线圈距离传输特性实验 (46)

5.3 负载调制型E2结构传输特性实验 (47)

5.4 参数改进型E类功率放大器传输特性实验 (49)

5.5 本章小结 (52)

结论 (53)

参考文献 (54)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)

致谢 (59)

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

2006年11月，麻省理工学院物理系的Soljacic教授所率领的研究团队首次提出了磁耦合谐振式无线能量传输技术，利用这种新技术，制作了两个谐振线圈作为谐振器，调整电源频率使其达到共振的效果，在2米多距离，成功点亮了一只60瓦的灯泡，传输效率为40%[1]，随后这一重要学术成果顺利发表于国际权威期刊《Science》，引起了国内外无线传输领域专家学者的广泛关注[2-4]。

与传统的有线供电方式相比，无线能量传输技术能够有效避免用电设备在导线连接的过程中产生的电火花，导线的裸露所面临的腐蚀和磨损风险[5]。目前无线能量传输主要存在三种传输方式[6]：微波辐射式，感应耦合式，磁耦合谐振式，三种传输方式适合不同的应用领域。

（1）微波辐射式微波辐射式是基于天线实现能量的发送和接收。由于利用了远场进行能量的传输，传输距离远大于能量收发装置的尺寸，可实现远距离的无线能量传输。在传输中对外辐射现象明显，对人体和其他生物有一定辐射影响，系统的传输效率低，同时对收发装置的方向性要求严格，在一些特殊的场合如卫星太阳能发电站应用比较多。

（2）感应耦合式感应耦合式是将变压器的一次线圈和二次线圈进行分离实现的。该方式的研究在三种无线能量传输方式中最为成熟，它可实现的传输功率较大，然而传输距离较近。常见的电动汽车，手机充电等是基于该方式进行研制的，然而传输距离较近限制了其发展。

（3）磁耦合谐振式磁耦合谐振式是利用线圈之间的共振原理实现的。该方式利用了近场进行能量的传输，传输距离受线圈半径大小影响明显。在传输过程中对遮挡物要求较低[7]，能容许一定的错位情况的发生[8]，装置相对简单和经济；传输距离一般为几厘米至几米，可实现中等距离下能量的高效传输。

结合无线能量传输的特点，可以得出其在以下几个方面将有着更加广泛的应用前景。

（1）消费电子领域在消费电子领域，无线能量传输技术能够带来更好的用户体验，进一步刺激该技术的发展，随着对该领域研究的不断深入，传输功率和传输效率水平会不断提高，可给人们带来更多的方便、快捷，同时这也能够提高用电的安全性。