大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究

作为无线电能传输技术的一个新的发展方向，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有较大的传输距离、较高的传输功率和效率以及无辐射性和穿透性等优势，它的出现使该技术成为国内外学者研究的热点问题之一。目前很多国内外的学者在这方面展开研究，也取得了很大进展，但是还有很多问题尚未解决，例如无线电能传输理论有待突破，传输功率和效率有待提高等。 本文正是基于这些问题展开研究的，首先利用耦合模理论研究了电能无线传输的规律和有效传输的必要条件，利用互感理论分析了电能无线传输的基本特性。其次为了提高电能传输的功率，提出了大功率无线电能传输方法。最后设计实验电路进行相关的实验研究。本文的主要研究工作如下： （1）基于耦合模理论建立了振荡系统的传输模型和数学方程，对无损、有损振荡系统分别建立方程并求解，由其简正模的分析得到能量有效交换和传输的必要条件。 （2）利用耦合模方程并综合考虑阻抗损耗和辐射损耗情况下得出系统的传输效率方程，由效率方程的表达式进一步推导工作效率和损耗效率与系统参数的关系。建立了多用户和带中继线圈的无线电能传输耦合模方程，通过拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换解出方程得到其简正模。 （3）作为耦合模理论的补充和延伸，建立了利用互感理论分析无线电能传输技术的基本特性的方法。首先对无线电能传输系统进行等效得出其电路模型和简化电路，给出简化电路的方程式，解出该方程式得到负载侧的归一化电压表达式和其频率响应特性，即频率分裂特性和分裂规律。 （4）根据在一定范围内接收电压最大值不随耦合因数的减小而降低的特性，定义了有效传输范围的概念。结合距离（包括轴向距离和径向距离）或方向与耦合因数的关系，进一步推导得出了无线电能传输的距离特性和方向特性，即虽然距离和方向发生改变但是只要系统仍处于“过耦合”状态，负载接收电压的最大值就有可能保持不变。 （5）针对大功率无线电能传输的需要，提出提高无线电能传输功率所涉及的三个基本问题（大功率高频电源、阻抗匹配、谐振频率稳定性问题）以及由于功率提高带来的电磁辐射与电磁兼容问题。 （6）设计磁耦合谐振式无线电能传输的实验系统，具体包括功率放大电路、阻抗匹配电路、发射与接收系统等，实现了能量的有效大功率无线传输。随后利用实验电路对本文所提的理论进行了具体分析和验证，包括频率特性、距离特性、方向特性等方面的实验。 本文的研究不仅包括磁耦合谐振式无线电能传输技术的传输机理、传输条件等，还系统分析了无线电能传输的基本特性，以及发射与接收系统电气参数对传输性能的影响。本文的研究成果为无线电能传输技术在轨道交通（电动汽车）、物联网（无线传感网）、医疗设备、特种设备（矿山机械、移动机器人、自动导航车、水下设备等）、便携式电子产品等方面的应用奠定了理论基础。