摘 要

无线能量传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）也称之为非接触能量传输技术（Contactless Power Transmission，CPT），这是最近几年发展起来的一种供电技术，它有效解决了电源的便捷、安全接入问题，也解决了传统的依靠电导体直接进行物理接触的输电模式所带来的问题，特别是在某些特殊环境下存在的用电安全隐患等问题。磁耦合谐振式无线电能传输这种新型的传输方式不仅可以使无线供电的传输距离提升到米级，而且也突破了无线能量的传输距离这个瓶颈，同时还会分离用电设备与供电设备之间的物理连接，这样在提高用电设备的美观，实用性的同时，还可以改善用电设备的安全性。

本文通过分析研究磁耦合谐振式无线能量传输原理和学习WPT的基本电路模型，对串联耦合谐振和并联耦合谐振两种模型进行了理论分析，并利用仿真软件ADS进行仿真分析两种模型的优缺点并进行优化，也对发射、接收电路进行了仿真，并最终确定了发射、接收线圈的制作参数。根据仿真所得到的数据，分析并优化所存在的问题，从而实现了无线充电系统的设计。

关键词：无线电能传输技术；磁谐振耦合；谐振频率；耦合系数

Abstract

Wireless Power Transfer (WPT), also known as noncontact energy transmission (CPT), which is a power supply technology developed in recent years, which effectively solves the problem of convenient and secure access , but also to solve the traditional rely on the direct contact with the electrical conductor of the transmission mode of the problems brought about, in particular, in some special circumstances there are problems such as electrical safety hazards. Magnetic coupling resonant radio power transmission This new type of transmission can not only make the transmission distance of wireless power supply to the meter level, but also broke through the wireless energy transmission distance of this bottleneck, but also separated between power equipment and power supply equipment Of the physical connection, so as to improve the appearance of electricity equipment, practicality, but also can improve the safety of electrical equipment.

In this paper, the principle of magnetic coupling resonant wireless energy transmission and the basic circuit model of WPT are studied. The two models of series coupled resonance and parallel coupled resonance are analyzed theoretically. The advantages and disadvantages of the two models are simulated by ADS simulation software and the optimization of the transmitter and receiver circuit is also carried out, and finally the production parameters of the transmitting and receiving coils are determined. According to the data obtained from the simulation, the existing problems are analyzed and optimized, and the design of the wireless charging system is realized.

Key Words：Radio power transmission technology；magnetic resonance coupling；resonant frequency；Coupling coefficient

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 无线能量传输方式的分类 4

1.3.1 三类传输方式 4

1.3.2 三类传输方式的比较 7

1.4 课题研究内容及预期目标 7

1.4.1 研究内容 7

1.4.2 预期目标 8

第2章 磁耦合谐振式无线能量传输的基本理论及模型分析 9

2.1 基本理论 9

2.1.1 串联谐振 9

2.1.2 并联谐振 10

2.2 磁耦合谐振式无线能量传输的模型分析 11

2.2.1 串联谐振耦合模型分析 12

2.2.2 并联谐振耦合模型分析 14

第3章无线充电系统的设计 18

3.1 无线充电系统的整体设计 18

3.2 无线发射和接收线圈的设计 18

3.3 充电电路的设计 22

3.4 无线发射电路的设计 25

3.5 无线接收电路的设计 27

第4章无线能量传输的影响因素 29

4.1 负载对无线能量传输系统的影响 29

4.2 信号源功率对无线能量传输系统的影响 30

4.3 电感对无线能量传输系统的影响 32

4.4 电容对无线能量传输系统的影响 34

4.5 线圈耦合系数对无线能量传输系统的影响 36

第5章 总结与期望 40

5.1 论文总结 40

5.2 未来期望 40

参考文献 42

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1831年，法拉第根据电磁感应定律制造出了世界上最早的第一台发电机。至此，电作为人类文明史的一大伟大发明而出现，它的出现极大改变了人们的生产和生活方式。随着时代的发展和科技的进步，电被运用到越来越多的领域中去，但是也随之带来了一系列的问题：操作的安全性问题，高压电对人身安全的威胁。我国2010年就发生过不止一起充电站里面的充电电缆漏电烧伤工人手臂的事情^[1]；电线的磨损和老化对人们的生活有着很大的潜在危害；传导式充电也不利于未来实现自动化充电^[1]。

无线电能传输方式的出现是能源传输和接入的一种革命性的进步。无线能量传输技术是最近几年发展起来的一种供电技术，它是通过空间中的电场、磁场、微波等软介质来传输电能的，它打破了传统的有线传输电能的方式，有效解决了电源的便捷、安全接入问题，也解决了传统的依靠电导体直接进行物理接触的输电模式所带来的问题，特别是在某些特殊环境下存在的用电安全隐患等问题。