磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)效率分析與優(yōu)化.pdf

1、無(wú)線電能傳輸技術(shù)是電氣工程領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)，志在解決傳統(tǒng)電纜線供電方式的線路老化、尖端放電、產(chǎn)生電火花等不足。無(wú)線供電方式主要是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳輸電能，發(fā)射端和接收端完全擺脫了對(duì)導(dǎo)線的依賴(lài)，非常適合在極端環(huán)境下的安全、智能供電。但由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率較低，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的推廣及應(yīng)用。在提高系統(tǒng)的傳輸效率方面存在許多技術(shù)難題，亟需突破。
　　本文首先介紹了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的幾種方式及無(wú)線電能傳輸技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的重要性，選取

2、磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)為本文的研究對(duì)象。其次，從國(guó)內(nèi)外磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，提煉出效率是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。最后，針對(duì)不同工況下的系統(tǒng)效率優(yōu)化問(wèn)題，本論文結(jié)合國(guó)家“自然科學(xué)基金項(xiàng)目”，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法兩方面重點(diǎn)開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　(1)針對(duì)電磁耦合諧振式無(wú)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(shí)系統(tǒng)的傳輸效率過(guò)低的問(wèn)題，運(yùn)用耦合模理論，推導(dǎo)出了系統(tǒng)的效率表達(dá)式

3、。并以此為基礎(chǔ)，分析了發(fā)射線圈與接收線圈非同軸放置時(shí)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(shí)系統(tǒng)效率過(guò)低的問(wèn)題，提出了一種基于混沌優(yōu)化算法的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法，該方法能使系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)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(wú)線電能傳輸系統(tǒng)裝置。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　(2)針對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)頻率會(huì)發(fā)生分裂導(dǎo)致系統(tǒng)在原諧振頻率處效率很低的問(wèn)題。運(yùn)用

4、等效電路理論，推導(dǎo)出了效率、輸入阻抗與頻率的關(guān)系表達(dá)式，并以此為基礎(chǔ)，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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。提出了一種調(diào)節(jié)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的方法，為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，提出了使用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)等效負(fù)載電阻的方法。通過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性與正確性。
　　(3)在傳統(tǒng)四線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種帶中繼線圈的無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)。運(yùn)

5、用耦合模理論，推導(dǎo)出了該結(jié)構(gòu)的效率表達(dá)式。針對(duì)提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了通過(guò)三種優(yōu)化方法來(lái)提高系統(tǒng)的效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　(4)為了提高傳統(tǒng)四線圈結(jié)構(gòu)源線圈與發(fā)射線圈、接收線圈與負(fù)載線圈之間的耦合系數(shù)以及源線圈和負(fù)載線圈的品質(zhì)因數(shù)。提出了一種新型四線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(duì)新型四線圈結(jié)構(gòu)，提出了一種優(yōu)化工作頻率與負(fù)載電阻來(lái)提高效率的方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6、驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　(5)針對(duì)頻率發(fā)生漂移時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失諧及效率下降的問(wèn)題，提出了一種頻率跟蹤方法。運(yùn)用等效電路理論，推導(dǎo)出了系統(tǒng)效率與輸入阻抗表達(dá)式，根據(jù)輸入阻抗表達(dá)式，得到了系統(tǒng)新的諧振頻率。通過(guò)分析諧振頻率表達(dá)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(guān)，同時(shí)還與負(fù)載的大小有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率漂移時(shí)，使用提出的方法，系統(tǒng)可以重新操作在諧振狀態(tài)，同時(shí)提高了系統(tǒng)的效率，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的正確