摘 要

无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT），作为一种新兴电能传输方式一直受到大家的广泛关注并且拥有很好的发展前景。与传统有线电能传输方式不同，它对空间的要求不大，受环境影响较小，避免了电缆电线的绝缘层老化、损坏等一系列使用时的不安全因素等。如今无线电能传输技术通常出现在小型的便携电子设备上，但由于充电速度较慢、传输距离较小、对电子设备的要求也较高等原因没有大规模的应用。

随着科技的发展，有线电能传输方式的弊端也越来越明显，对无线传输方式的渴求就会越来越大。人类对海洋大自然的探索可能由于用电设备的有线充电问题受到阻碍，医学上植入式医疗设备通过电能的有线传输就可以放弃对电池的使用，在越来越受关注的电动汽车领域使用无线充电方式也是人类研究的重点问题。可以看出无线电能传输方式的大规模推广与应用，将大大提升人们的便利，更能使人类朝着智能时代迈进了一大步。

本文首先通过对一般的二线圈式磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT）系统的机理了解，对其简要分析与理论推导，建立主要参数与传输特性的关系式，找到影响它传输效率及输出功率特性的因素，通过Matlab软件进行仿真分析讨论。之后，对三线圈、四线圈的磁耦合谐振式无线电能传输进行分析与理论推导。最后，针对无线电能传输系统传输效率不高、输出功率较低等问题提出一系列优化设计。

关键词：谐振式无线电能传输；多线圈；传输特性；优化

Abstract

Wireless Power Transfer as an emerging power transmission method. It has been widely concerned and has good development prospect for application all over the world. Different from the traditional wired power transmission mean, Wireless Power Transfer has low demand the work environment and high practicability which effectively avoids the damage of the wires and the aging of insulation of the cable. Nowadays, wireless power transmission technology usually appears on small portable electronic devices. But due to slow charging speed, short transmission distance and high requirements for electronic devices, wireless power transfer system hasn’t large-scale application.

With the development of technology, the drawbacks of wired power transmission are becoming more and more obvious and the desire for wireless transmission will become higher. The wired charging of electrical equipment is an obstacle for human to explore the ocean. Implantable medical devices can abandon using batteries through wired transmission of electrical energy. And it is also a hot study project that WPT system is applied in the field of electric vehicles. It can be seen that the large-scale promotion and application of wireless power transfer mean will greatly enhance people's convenience and will make human beings take a big step toward the era of intelligence.

In this paper, I first understood the mechanism of the general two-coils of magnetically-coupled resonant wireless power transfer system. And its relationship between the main parameters and the transmission characteristics is established. Finding out the factors which affecting the transmission efficiency and output power. Then carry out simulation and analysis by Matlab. Afterwards, understanding the mechanism of the three-coils and four-coils of magnetically-coupled resonant wireless power transfer system. Finally, looking for optimization methods.

Keywords: MCR-WPT; two-coils; three-coils and four-coils; transmission characteristics; optimization

目录

摘要 1

Abstract 2

1 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国际研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 论文研究目的与意义 4

2 MCR-WPT系统原理与理论分析 5

2．1 谐振的定义 5

2．2 系统原理 5

2.3 对传输效率理论推导 7

3影响传输效率因素的仿真分析 10

3.1单一变量分析 10

3.1.1 耦合系数k 10

3.1.2 谐振频率 11

3.1.3 负载电阻 12

3.2 双变量分析 13

4基于三线圈无线电能系统分析 16

4.1 系统原理 16

4.2 对传输效率理论推导 17

4.3 对传输效率的仿真分析 18

5基于四线圈无线电能系统分析 22

5.1 系统原理 22

5.2 对传输效率理论推导 22

6系统优化设计 25

6.1 线圈设计 25

6.2 高频趋肤效应 26

6.3 高频逆变器 26

6.4 阻抗匹配 27

7 总结与展望 29

7.1 全文总结 29

7.2 后续展望 29

参考文献 31

致谢 33

1 绪论

论文研究背景

电是人类最伟大的发明，在我们的日常生活中电能无处不在、无时不有，它是人类生产和生活中必不可缺少的一种能源。随着工业化的脚步不断加快，电力的研究与发展也随着时代的步伐不断的前进。在我们日常生活中，电能最普遍的传输方式是利用电缆、电线等有线传输方式对负载供电。但是，传统的有线传输有一定的弊端，在电线、电缆的使用过程中总存在一些摩擦、短路、甚至绝缘层损坏而产生电火花等不安全的用电隐患因素，且其在恶劣天气及一些特殊环境下使用不便容易引起安全事故等。且建设电缆的杆塔正如同我们所住的居民楼一样如果承载了超出标准的重量都会有倒塌的风险，如在2008年的恶劣冰雪灾害天气影响下无数杆塔倒塌造成部分地区的电网全面积瘫痪。现如今很多地方也缺少架设线路的通道，这让电力工作者们也很发愁。

基于传统电能有线传输方式很多缺点，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）这一概念被人们不断提出，这种非接触式的电能传输方式既避免了电线损坏、绝缘层老化、接线复杂等不安全的隐患，又提高了在特殊环境下的供电安全指数，并且为诸如电动汽车领域、医疗设备领域、电子设备等方面开辟了一种新的供电途径。无线电能传输技术的发展与应用将会给人们带来极大的便利。随着科技的不断发展，无线传输电能传输取代传统的有线式传输已经成为一种趋势。在科技的发展中，在智能时代的进程中，它的应用必将是一次极大的突破。

1890年，美国科学家尼古拉·特拉斯就曾提出无线电能传输的构思，特斯拉在暴风雨雷电中得到了灵感，发现闪电就是一种电能的无线传输，于是他做出了大胆的猜想是否能通过人造闪电的方式来实现对全球无线电能传输。他假设把我们生活的地球看作一个巨大的内导体，再利用在地球表面环绕着的电磁波进行大面积无线能量传输。随后特斯拉在长岛建设了第一座无线电力发射塔名为沃登克里弗塔，这座发射塔可以与地球的电离层以及大地构成电容电感系统发生串联谐振，能量可以被地球的另一端的一座名为沃登克里弗的塔所接收，通过这种方法便可以将地球电离层中的电能输送到地球的任意位置，但最后由于种种原因此项目并没有最终完成并实现。从文献[1]中知道到2007年美国麻省理工学院的无线电能研究小组提出了磁耦合谐振式无线电能传输理论，并成功点亮了几米范围内的一个60W小功率灯泡。这次实验的成功不仅激发了人们对该技术的研究兴趣，也逐渐让磁耦合谐振式无线电能传输的研究逐渐成为了国内外的一个热点。

磁耦合谐振式利用谐振原理来实现相同频率物体间的能量高效传输，而对不同频率的物体影响非常小且具有非辐射性，传输距离适中，输出功率较大，传输效率较高等诸多优点。正由于这些优点，这种技术在小功率植入式医疗设备、中等功率便携式电子设备、大功率电动汽车充电领域有广阔的应用空间。此外，无线电能传输技术的发展会减少设备中电池的使用，电动汽车的使用将代替燃油汽车，这些在一定程度上都减少了人们对环境的污染。

本文通过对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行研究与分析，理论推导基于两个线圈、三线圈以及四线圈传输方式的系统输出功率与传输效率，并讨论影响系统输出功率与传输效率的诸多因素，并对其进行优化设计以提高传输性能。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国际研究现状

国外的WPT技术发展较早尤其是美国，在学术和产业界均占据了领先的地位，2011年，英特尔西雅图实验室研发出了基于无线电能传输的非接触式的无线供电人工心脏，它的传输效率超过了90%，为医学界的发展做出了极大的贡献。

2012年，作为无线充电技术领域领先的供应商之一的金霸王（Duracell）电池公司，他们成功研发出只需安装在手机电池上就可以实现无线充电的卡片WiCC，但缺点在于不能安装在无法拆卸电池的设备上。在2014年该公司与星巴克（Starbucks）成为合作伙伴，利用他们自主研发的桌面式充电板，在全美星巴克门店提供无线充电服务。只要桌子上拥有Duracell Powermat技术的充电板，人们只需要简单的将手机放在桌子上与带有接收电能功能的设备相连便能实现对手机的无线充电。

2018年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）通过实验验证了相距15cm的两个电磁线圈实现了无线电能传输为电池组供电，成功研制了120kW的无线充电系统对电动汽车进行无线充电。该突破性的新技术成功将ONRL早期研发的系统的输出功率提高了6倍，充电效率可达到97%，与普通的有线高功率快速充电器相当。并且ONRL此前所研制并验证的世界上首个20kW无线充电系统，目前也正在改进准备用于商用的货运卡车上[3]。

加拿大的庞巴迪（Bombardier）公司研发的PRIMOVE电磁感应耦合式无线供电系统，可以对电动汽车在静态时或行驶动态时充电。其准备投入在电动式轿车或电动式巴士的22kW无线电能系统的效率最高可以达到90%，并实现突破性进展成功研发生产出200~400kW的无线充电系统。目前庞巴迪公司的PRIMOVE项目已在德国、比利时多个城市进行商业合作。同时庞巴迪PRIMOVE项目与中国青岛中德生态园建立合作关系，亚洲首条无线快充公交示范线也在推进过程中，据了解其功率高达200kW[4]。

1.2.2 国内研究现状

我国在WPT技术的研究工作进展非常迅速也取得了诸多傲人的成绩。

2018年底，我国将在重庆开始建设首个空间太阳能电站，它的作用是在地球上空将太阳能转换为电能，再通过无线传输的方式传到地面建设的电力系统，这样可以将太阳能转化为电能，对太阳的能量进行高效利用，该项目预计在2019年年底全面建成。

2018年，全球首条“三合一”电子公路在江苏同里新能源小镇正式登台。该电子公路是全球首个实现路面光伏发电、动态行驶无线充电以及无人驾驶三项技术的融合应用产品，是目前世界上综合传输性能最好的电动车动态无线充电道路。此 “三合一”电子公路的动态无线充电系统由重庆大学所研发，实现了电动车“边跑边充”，解决了电动汽车续航里程的问题，是现在对电动式的交通工具给出的最佳解决方案。其动态无线输电输出功率11kW（整条示范道路可达MW级），最高效率可达到90%以上，在车速超过120km/h任能进行[3]。

在我国无线电能传输技术研究主要集中在电动汽车、智能电子设备、电力传输、高铁列车等诸多领域，虽然在理论方面的研究已达到或接近国际先进水平，部分研究成果也处在世界领先的位置，但项目实践、工程应用相对较少，产业化部分与国外还有较大的差距。

无线电能传输技术尚未成熟在未来任有巨大的发展空间，虽然便携式电子移动设备的无线充电产品已经出现，但由于充电传输距离要求较近并没有大范围普及应用。但在很多领域他们已经发挥着重要的作用，如在医疗领域，随着生物医学与智能检测技术的发展，体内植入式医疗设备已经成为了大家研究的重要课题。它的优点在于植入式医疗设备能对体内的健康状况及时反馈信息，对现有疾病进行精确治疗，对有可能发生的病情变化做出提前判断。但是植入式系统因电池续航问题延缓了发展，没有突破性的进展，而无线电能传输技术是解决此类问题的一个好的方法[4]；在水下领域，当今人们对海底世界无线探索，对海洋的开发与利用受世界各国的重视，然而在电池无法取得突破性进展的条件下，水下作业的电能补给始终是一大问题，无线电能传输拥有传统电能无法比拟的优势，它很好的提高了水下供电的安全性，便利性以及可靠性[5]。

无线电能传输技术是一项具有发展潜力的新技术也吸引了很多人的注意。与传统技术相比他能给人们带来便利性、灵活性、可靠性以及安全性。随着无线电能传输技术的进步，他将在更多领域发挥他的作用，他将融入人们的生产生活，并且极大的推动科学技术的进步，它的应用必将成为未来的一个发展趋势。

1.3 论文研究目的与意义

在实际的研究和应用中WPT系统总存在较多的问题，如系统总体的效率不高、输出功率较低且传输不稳定等问题，在一定程度上影响了谐振式无线电能传输技术的发展，他具有以下缺点：

（1）系统传输距离短：目前的无线充电技术大多应用在对便携式电子设备进行无线充电的短距离近磁场式。但这种短距离无线充电方式并不能给人们带来极大的便利，所以没有受到大面积的推广与应用。因为随着无线电能传输的距离增大，系统输出功率的损耗也就会越大，电能传输效率就会越来越低。

（2）系统充电转换效率低，速度较慢：无线充电技术虽然简单方便，但还没有发展成熟且还在不断研究阶段，充电速度的缓慢和充电效率的不高至今还未得到很好的解决。

（3）系统传输功耗较高，会很费电：随着无线充电设备的距离的增远和功率的增大，无功功率的耗损也就会越大，这就导致整个系统的损耗大大增加，设备在充电过程中发烫等现象产生，与传统有线传输方式相比会浪费很多的电能。

磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT）技术基本原理是通过两个或多个具有相同频率的谐振线圈之间的谐振来进行能量传输。一般的谐振式无线电能传输系统从整体上可以分为三个部分，即由高频激励源、谐振传输线圈、负载组成，这三个部分对于传输效率、输出功率都密切相关，比如与激励源的频率大小、线圈之间的耦合系数和负载的电阻大小等因素。

此次设计通过查阅大量文献，对谐振式无线电能传输系统进行了解并建立模型，对模型进行定量分析，先对谐振无线电能传输系统进行理论推导求其输出功率 及传输效率 的表达式。然后探究影响传输效率的因素的约束条件，如耦合系数、频率、负载电阻 等因素。利用Matlab仿真软件进行系统最大效率跟踪。

2 MCR-WPT系统原理与理论分析

为了研究MCR-WPT系统的传输效率，对系统输出功率、传输效率进行详尽分析就应该建立准确的系统模型。此章节将对二线圈式的磁耦合系统的基本结构、等效模型等进行具体分析计算，对无线电能传输系统的基本原理进行深入研究。

2．1 谐振的定义

电路里共振的现象称之为“谐振”，在交流电路中通过调节电路中的参数电感L与电容C使系统交流电流电压同相位，则这种电路被称之为LC谐振电路。对一个电阻可忽略不计的谐振电路中它具有以下的特点：（1）从能量的角度来说，因为整个电路的电阻R可忽略不计，所以热损耗可以忽略不计，即没有其它形式的能向内能转化；（2）从能量储存的角度来说，电路的电场能量储存在电容器件中，电路的磁场能量储存在电感线圈中；（3）LC谐振电路中的能量转化仅仅只发生电容器电场能量与电感线圈磁场能量的转化，且他们各自储存的电场能和磁场能大小相同，即电路不会向周围的空间辐射能量。

2．2 系统原理

磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT）系统是以麦克斯韦电磁场理论作为基础理论而实现的，它的基本原理是通过两个或多个具有相同频率的电磁线圈之间的谐振作用并借助空间无形介质来实现能量传输的装置来进行电能的传输。

当系统工作时，给发射线圈通以一定频率的交流电，通过调节匹配电容与线圈自感使发射线圈和接收线圈具有相同的固有频率从而发生谐振现象，此时两个回路的损耗也将达到最小，能更高效的传输能量。此时由于共振线圈之间产生很强的磁场耦合，在磁场的强耦合过程中，谐振线圈利用电场能量、电磁能量的相互转换来实现电能的无线传输。其中通过上面谐振现象的了解，可以知道发生谐振现象的前提是该系统的接收线圈与发线圈的谐振频率要保持一致，这就使得电能供应端只与频率一致的电能接收端进行电能无线输送而实现对负载供电，且与非同频率的物体间的能量交换很微弱，从而实现特定两个辐射源之间电磁能量的相互转化，形成高效率中距离无线传输，这样不向外部空间辐射电磁波，能很好的提高安全、灵活、可靠性。

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