諧振式無線電能傳輸磁耦合系統關鍵技術研究

《諧振式無線電能傳輸磁耦合系統關鍵技術研究》是福州大學的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：諧振式無線電能傳輸磁耦合系統關鍵技術研究
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

磁耦合系統是諧振式無線電能傳輸系統的關鍵組成部分。現有的磁耦合系統的耦合係數低、效率差、耦合係數對位置偏移的魯棒性弱、磁場能量利用率低、電磁泄露嚴重，尤其是缺乏有效的性能評價參數和設計原則從理論上來分析和指導磁耦合系統的設計，嚴重影響了無線電能傳輸系統的理論發展和廣泛套用。本項目從無線電能傳輸系統的特殊要求出發研究磁耦合系統，系統分析影響磁耦合系統性能的眾多因素間的關聯性及其與匹配網路以及負載的關係，提出新型磁耦合結構的構成原理及損耗、體積的最佳化設計方法，使其同時兼具耦合係數高、磁場利用率高、磁場泄露小、偏移敏感度低、損耗及體積重量小的特點。同時提出磁耦合系統的有效評價參數，能有效地表征其能量傳輸特性、自身損耗以及與匹配網路的關係。建立磁系統模型和提出設計方法，並通過桌面型任意位置多接收器無線感應充電套用平台驗證。研究成果將為解決磁耦合系統問題提供新的思路和方案及機理、模型和設計套用指導。

結題摘要

高頻激勵源、諧振補償網路和磁耦合系統作為諧振式無線電能傳輸系統的關鍵組成部分，對無線電能傳輸系統的性能起著至關重要的作用。 在高頻激勵源方面，分析了並聯電容E 類逆變器的工作原理，提出了其在WPT 系統中的鎖相控制方法；為了提高E類逆變器的容量和參數容差能力，提出了一種具有雙路（或偶數路）E 類逆變器功率合成輸出的WPT 系統拓撲。該拓撲增加了系統的容量、提高了諧振參數容差能力和系統效率。 在諧振補償網路方面，採用的T/S型諧振補償網路，通過二連線埠A參數的分析與推導，獲得了T型補償網路結構的阻抗特點，從而獲得新型諧振補償網路的拓撲形式。該補償網路具有電壓增益負載無關性；為了使同一磁耦合系統通過補償網路參數的設計獲得不同的輸出特性，基於變壓器T網路模型的多解性提出了可變恆壓/恆流輸出特性的諧振補償結構，理論上可以獲得任意的恆壓/恆流輸出；為了解決雙補償或多補償環節無法同時諧振的問題，提出了一種單側補償的可變恆流輸出補償網路結構。 在磁耦合系統方面，首先對於螺旋形線圈結構進行分析，提出將螺旋形平面發射線圈的導體排布問題轉化為數學模型的參數尋優問題，並利用自適應遺傳算法對所建立的線圈模型進行最佳化。該最佳化設計方法使得發射線圈在充電平面上產生的軸向磁場均勻分布；為了解決磁耦合系統的磁場泄露問題，提出了一種新型的平面型磁耦合結構。平面型發射線圈結構可在其表面獲得均勻的磁場強度且磁場泄露小，接收線圈採用多繞組線圈結構，可以拾取空間中任意方向的磁場能量，提高了空間的磁能的利用率；為了實現多負載在空間多自由度任意充電，採用了一種三維正交的發射線圈結構，通過控制三維線圈上的電流的大小、相位、頻率等參數實現接收線圈在空間多自由度下的無線電能傳輸。 成果包括撰寫了論文10篇，授權國家發明專利1項，申請發明專利6項。直接培養博士生1名，碩士生3名。研究生果得到了國內外知名企業的重視和技術開發套用。