磁耦合谐振式无线电能传输技术研究综述

近年来,无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）受到越来越广泛的关注,本文对无线电能传输技术的几种主要传输形式进行了介绍,重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术（MCR-WPT）。针对MCR-WPT技术,首先介绍了系统的基本结构,并对其建模方式和机理进行分析,然后重点阐述了磁耦合谐振无线电能传输的关键与热门技术的发展现状,最后对该技术目前存在的问题和发展趋势进行了展望。     

磁耦合谐振式无线电能传输关键技术

随着电力电子技术的不断发展,无线电能传输成了当前电能传输领域的研究热点,它较好的解决了传统输电中存在的困难。无线电能传输(WPT)又称为无接触式电能传输(CPT),主要有磁场耦合式、电场耦合式、辐射式、超声波式等,可实现小功率到大功率,近距离到远距离的不同应用场合。磁场耦合式又可分为磁感应耦合式无线电能传输(MCI-WPT)和磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)两种。本文主要研究了磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术,包括谐振线圈设计和系统控制技术。     

磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展

近些年,无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。作为一种中等距离无线电能传输技术,自从美国麻省理工学院于2007年发表其研究成果后,磁耦合谐振式无线电能传输技术就成为了研究热点问题。该文在对无线电能传输技术进行总体介绍的基础上,主要对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行概括论述。首先分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本结构和工作原理,介绍了目前运用于分析该技术的主要理论;接着对该技术目前的传输水平和热点问题进行了分类阐释,主要分为传输特性、新材料的应用、干扰问题和实际应用,介绍了目前的研究现状;最后在当前研究热点问题的基础之上,对该技术有待研究的问题以及发展趋势进行了展望。     

磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术研究

介绍无线电能传输的分类,从阻抗匹配、频率跟踪、高频逆变器设计、谐振线圈设计等方面论述了磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术。同时分析了电路理论建模、耦合理论建模、二端口网络建模等建模方法,并对磁耦合谐振式无线电能传输的发展趋势进行了展望。     

磁耦合谐振式无线能量传输技术效率分析

详细阐述了磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理,建立了系统等效模型并分析得到系统传输效率公式,从而得出影响系统传输效率的因素,具体包括负载阻抗、系统频率、线圈线径、线圈半径、线圈匝数、线圈位置和传输距离。针对理论分析得到的各个影响因素,逐一仿真验证了它们对效率的影响效果,为提高磁场谐振耦合式无线能量传输系统的效率提供了理论依据。     

磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态

无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题,磁耦合谐振式无线电能传输技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。该文对磁耦合谐振式无线电能传输系统工作原理、系统建模和耦合机构进行总结概括,详细阐述磁耦合谐振式无线电能传输关键技术的研究动态和研究成果。在现有成果的基础上对该技术需要深入研究和解决的问题以及未来的发展趋势进行了展望。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振方式分析

磁耦合谐振式无线电能传输系统在实际设计中具有传输效率高,结构简单,实用性强等特点。从等效电路的角度研究了单发射-单接收谐振模式中串联-串联式、串联-并联式、并联-串联式和并联-并联式4种谐振模型下系统传输效率。经过数值仿真,得出了每种谐振模型下系统传输效率和输出功率与系统振荡频率、传输距离及带负载能力之间的变化关系,发现每种谐振模型各有其适用工况,总结出了在设计中如何根据实际情况选择适当的谐振方式来达到最佳的传输效果:当所设计的系统供电对象为小负载且仅需较小的传输距离时,采用串联-串联谐振模型能够达到较好的传输效果;当需要具有较远的传输距离和较强的带负载能力时,应采用串联-并联谐振模型;当无法实现较高的系统谐振频率时,应采用并联-并联谐振模型。最后根据4种谐振模型,实际设计制作了4套磁耦合谐振式无线电能传输系统,验证了上述分析的正确性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统磁耦合结构错位性能的研究

磁耦合结构作为磁耦合谐振式无线电能传输系统最核心的部分,其解析模型的建立、错位性能的分析及结构的设计优化对整个系统的传输性能研究起着关键作用。以圆盘形磁耦合结构为研究对象,首先应用电磁场理论推导了一、二次侧磁耦合结构未错位及错位时的互感解析新模型;然后研究了不含铁氧体及含铁氧体的磁耦合结构发生错位时的互感变化特性,提出了互感平稳变化范围的概念,优化了线圈结构。最后为了测试磁耦合结构的错位性能,搭建了一套传输功率为1 000 W的无线电能传输系统,测量及运行结果表明,建立的磁耦合结构互感解析模型以及错位性能分析方法具有较高的准确性和有效性。研究结果为无线充电系统分析及性能改善起到积极推动作用。     

磁耦合谐振式无线能量传输的阻抗匹配特性

针对无线电能传输过程中传输效率随匹配阻抗大小变化的特点,提出两种阻抗匹配的方法:一种是基于步进电动机通过检测网络反馈信号,控制网络通过GA神经网络算法控制步进电动机,改变电容实现阻抗匹配;另一种是基于直直变换器中Cuk电路的占空比大小来匹配阻抗的方法.在负载和线圈之间嵌入单相桥式整流电路和Cuk升降压变压器实现匹配.根据最大传输功率理论,定量分析了改变电路的阻抗值大小,使系统的传输功率及效率最大.在MATLAB/Simulink平台验证了两种阻抗匹配设计方案的有效性.结果 表明,利用基于步进电动机和Cuk电路的阻抗匹配方法可以实现最佳阻抗值匹配,使无线电能传输效率最大化.     

磁耦合谐振式无线电能传输系统中线圈谐振特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中激励线圈与发射线圈是否谐振、接收线圈与负载线圈是否谐振,建立了4种结构模型;采用电路理论,详细分析了4种结构模型下的等效阻抗,并通过Pspice仿真重点分析了在相同参数下4种模型的输出功率。仿真结果表明,激励线圈与发射线圈谐振且接收线圈与负载线圈不谐振时的结构输出功率最大,且在大负载情况下,仍具有高效率。在电源频率为13.56 MHz,发射线圈与接收线圈的距离为26.8cm,耦合系数为0.2,负载为32Ω的情况下采用此模型,输出功率达到136.25 W。     

磁耦合谐振式无线能量传输系统负载特性研究

介绍了磁耦合谐振式无线能量传输系统工作原理,通过分析原理及实验条件约束选择初级串联拓扑结构,并对次级串联和并联拓扑结构进行了理论分析,探究负载阻抗对接收功率和传输距离的影响。设计并实现了一种磁耦合谐振式无线能量传输系统,通过实验验证了理论分析的有效性,并对实验结果进行了综合分析。     

小功率磁耦合谐振式无线电能传输的研究

为探索磁耦合谐振式无线电能传输机理,通过运用耦合模理论建立了磁耦合谐振式无线电能传输系统的数学模型,得出系统电磁能量的计算模型,并进一步分析了电磁能量与线圈固有损耗和耦合系数的关系,为系统的设计提供了理论依据。通过采用Maxwell对谐振状态下电磁耦合谐振式无线电能传输电磁能量的传输进行了仿真,并绘制出了谐振状态下能量传递的方式,验证了理论分析的正确性。最后搭建了小功率磁耦合谐振式无线电能传输实验平台,并对其传输特性进行了分析,实验结果表明该系统能够满足小功率设备的供电需求,为无线电能传输系统的应用提供了现实依据。     

基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究

磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术,与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高、条件要求低等明显优势,目前国内对此技术的研究大都处于探索阶段。为了准确把握技术核心以及关键点,本文首先建立了无线电能传输模型,并在此基础上利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导,得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素。随后,通过大量实验验证了上述理论分析结论,并且对理论推导结论中未体现的因素进行了实验探索,所得结果对原有理论进行了有益补充,在实验室条件下实现了传输效率为60%、接收功率为2W的电能传输。另外,在对发射谐振频率和接收谐振频率与系统谐振频率的关系分析中,利用互感理论解释了接收端谐振频率与系统谐振频率相同的必要性。最后,总结了在磁耦合谐振式无线能量传输技术应用过程中提高传输效率和有效传输距离的若干方法。     

磁耦合谐振式无线电能传输电动汽车充电系统研究

为研究电动汽车无线充电系统,解决电动汽车有线充电时的不安全、不便利问题,采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,从改进传输线圈结构出发,在传输线圈外侧增加导磁体,将磁通尽可能束缚在两传输线圈之间,减小向外界的泄漏,缩短磁通在空气中的磁路长度,从而有效增强无线电能传输系统的耦合程度,大大增加传输功率,提高低频条件下的传输距离和效率。设计了具有频率自动跟踪控制的12 k W/70 k Hz高效磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统,并进行实验研究,得到一系列传输线圈距离和负载阻抗、传输功率及传输效率之间关系的实验数据。特别地,实验结果表明在传输距离0.3 m、输入功率12.6 k W时,谐振频率为72.6 k Hz,传输效率达到94.33%。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中传输效率最大值与功率最大值难以同步的问题,利用等效电路理论对无线电能传输系统进行建模分析,给出系统传输效率最佳频率和传输功率最佳频率的计算方法,提出最佳谐振频率和功效同步因数的概念,得出系统传输效率与功率最大值同步出现的条件。借助仿真软件分析系统传输效率和功率与负载的变化规律,搭建实验平台,通过对比实验数据和仿真结果,证明了理论分析的正确性,也为进一步优化系统功效同步性能,同时提高传输效率和功率提供了有益的参考。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性

针对磁耦合谐振式无线电能传输技术的传输效率随着发射设备与接收设备距离的变化而波动的问题,采用频率特性的新方法分析无线电能传输系统得到了对实际系统设计具有关键指导作用的结果,其中包括频率分裂特性和最大传输距离.利用频率分裂规律对不同距离的效率进行频率跟踪补偿可以提高系统传能效率.通过设计的相关的实验电路验证了频率分裂特性与系统最大传输距离(临界耦合点)理论分析的正确性,为提高无线电能传输功率和距离提供有效的参考.     

多负载磁耦合谐振式无线电能传输特性研究

针对多负载磁耦合谐振式无线电能传输系统模块之间耦合性强,参数确定困难的问题,首先建立了系统电路模型,阐述了无线电能传输原理,分析了影响效率和功率的主要因素;然后,详细讨论径向距离和角度偏移对线圈之间互感的影响,进而推导出在同时存在轴向距离和径向距离的情况下,合适的角度偏移会增强线圈之间的互感;最后,通过建立非线性规划模型设立相关仿真实验,实验结果验证了理论的正确性。