磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)效率分析與優(yōu)化.pdf

1、無線電能傳輸技術是電氣工程領域的一項前沿技術，志在解決傳統(tǒng)電纜線供電方式的線路老化、尖端放電、產生電火花等不足。無線供電方式主要是通過磁場來傳輸電能，發(fā)射端和接收端完全擺脫了對導線的依賴，非常適合在極端環(huán)境下的安全、智能供電。但由于無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率較低，嚴重阻礙了該技術的推廣及應用。在提高系統(tǒng)的傳輸效率方面存在許多技術難題，亟需突破。
　　本文首先介紹了無線電能傳輸技術的幾種方式及無線電能傳輸技術對現(xiàn)代工業(yè)的重要性，選取

2、磁耦合諧振式無線電能傳輸技術為本文的研究對象。其次，從國內外磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀出發(fā)，提煉出效率是無線電能傳輸系統(tǒng)的一個關鍵問題。最后，針對不同工況下的系統(tǒng)效率優(yōu)化問題，本論文結合國家“自然科學基金項目”，從系統(tǒng)的結構設計和優(yōu)化方法兩方面重點開展了以下幾個方面的研究工作:
　　(1)針對電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈非同軸放置時系統(tǒng)的傳輸效率過低的問題，運用耦合模理論，推導出了系統(tǒng)的效率表達式

3、。并以此為基礎，分析了發(fā)射線圈與接收線圈非同軸放置時系統(tǒng)傳輸效率的變化規(guī)律。為解決發(fā)射線圈與接收線圈之間非同軸放置時系統(tǒng)效率過低的問題，提出了一種基于混沌優(yōu)化算法的參數(shù)動態(tài)調節(jié)方法，該方法能使系統(tǒng)幾個關鍵參數(shù)實現(xiàn)最優(yōu)匹配，有效提高系統(tǒng)的傳輸效率。最后，研制了一套磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)裝置。仿真和實驗結果驗證了理論分析的正確性。
　　(2)針對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率會發(fā)生分裂導致系統(tǒng)在原諧振頻率處效率很低的問題。運用

4、等效電路理論，推導出了效率、輸入阻抗與頻率的關系表達式，并以此為基礎，分析了頻率分裂現(xiàn)象，得到了影響系統(tǒng)頻率分裂和效率的幾個關鍵參數(shù)。提出了一種調節(jié)系統(tǒng)關鍵參數(shù)的方法，為了調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，提出了使用L型阻抗匹配網(wǎng)絡來調節(jié)等效負載電阻的方法。通過使用所提出的方法，可以有效的抑制系統(tǒng)的頻率分裂現(xiàn)象以及提高系統(tǒng)效率，仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性與正確性。
　　(3)在傳統(tǒng)四線圈結構的基礎上，提出了一種帶中繼線圈的無線電能傳輸結構。運

5、用耦合模理論，推導出了該結構的效率表達式。針對提出的系統(tǒng)結構，提出了通過三種優(yōu)化方法來提高系統(tǒng)的效率。仿真和實驗結果驗證了理論分析的正確性。
　　(4)為了提高傳統(tǒng)四線圈結構源線圈與發(fā)射線圈、接收線圈與負載線圈之間的耦合系數(shù)以及源線圈和負載線圈的品質因數(shù)。提出了一種新型四線圈結構，該結構不但提高了線圈之間的耦合系數(shù)，而且還提供了額外的能量流通路徑。針對新型四線圈結構，提出了一種優(yōu)化工作頻率與負載電阻來提高效率的方法。仿真和實驗結果

6、驗證了理論分析的正確性。
　　(5)針對頻率發(fā)生漂移時會導致系統(tǒng)失諧及效率下降的問題，提出了一種頻率跟蹤方法。運用等效電路理論，推導出了系統(tǒng)效率與輸入阻抗表達式，根據(jù)輸入阻抗表達式，得到了系統(tǒng)新的諧振頻率。通過分析諧振頻率表達式，得出了諧振頻率不但和線圈的參數(shù)（電感、電容和寄生電阻）有關，同時還與負載的大小有關。當系統(tǒng)發(fā)生頻率漂移時，使用提出的方法，系統(tǒng)可以重新操作在諧振狀態(tài)，同時提高了系統(tǒng)的效率，通過仿真和實驗證明了該方法的正確