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| 磁耦合谐振无线电能传输系统仿真与优化设计 摘要 无线电能传输技术是一种通过非接触方式实现电能传输的新型技术。目前，传统充电方式主要是利用导线连接电源和负载，这种充电方式存在着许多弊端，比如布线繁琐、充电设备移动灵活性差、反复的充电操作带来导线接触磨损、引发接触电火花，尤其在水下、潮湿的环境中，这种充电方式更不可取。与有线方式相比，无线充电能够更加灵活、安全、高效的给移动设备充电。目前无线电能传输有三种传输方式，电磁耦合式、微波辐射式、磁耦合谐振式。其中磁耦合谐振技术可以实现中等距离、小功率的电能传输，不受障碍物影响，且对充电位置要求没有那么苛刻，成为本文主要的研究对象。 本文首先介绍了无线电能传输的研究背景和意义，在三种现有传输方式的基础上，对目前国内外研究现状进行了介绍。借助磁耦合谐振式无线电能传输的理论基础，分析了系统的能量流动过程并做出系统框图，基于基尔霍夫电路理论，对系统的耦合模型进行了理论分析和推导。针对传统的两线圈无线电能传输方式，本文提出了改进的方法，即加入中继线圈构成三线圈系统。在第三章中，重点对三线圈系统的等效电路研究分析，得到了三线圈系统的效率关系式，并得到了系统效率与线圈互感和线圈位置的关系。为了优化系统的效率，本文提出了一种二维平面遍历方法，通过遍历中继线圈在平面内的位置，可以得到效率在大于等于80%时中继线圈的位置范围，借助区间动态优化算法，为优化结果提供了数据支持。 其次利用ANSYA电磁场仿真软件，对无线电能传输系统的不同结构进行电磁场仿真，探究在不同情况下线圈间的磁场感应强度，为上文的理论分析提供仿真支持，并为下文系统平台的设计与搭建提供理论指导。 最后，搭建实验平台并进行相关实验。本文从与系统直接相关的几个方面对无线电能实验平台进行了设计，包括：谐振线圈的选取、谐振电容的选择、电源电路的设计、发射端及接收端电路的设计、控制电路相关的设计，并对系统的控制策略及软件流程图做出了相应的设计。随后进行了系统的相关实验，通过实验验证了上述理论分析和仿真结果的合理性。 关键词：无线电能传输 磁耦合谐振 中继线圈 系统效率 电磁场仿真 目录 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究意义 1.1.1课题背景 1.1.2研究意义 1.2无线电能传输三种方式 1.3国内外研究现状 1.4本文主要研究内容 第二章 磁耦合谐振无线电能传输系统传输原理及关键参数 2.1 磁耦合理论基础 2.2谐振耦合无线电能传输系统框图 2.3耦合模型理论分析 2.4 线圈关键参数 2.4.1 收发线圈自感系数 2.4.2 收发线圈互感系数 2.4.3 品质因数 2.4.4 耦合系数 2.5 本章小结 第三章 磁耦合谐振无线电能传输系统效率研究 3.1 两线圈系统效率研究 3.1.1 两线圈系统结构图 3.1.2 两线圈系统四种电路拓扑结构对比分析 3.2 三线圈系统等效电路分析及效率研究 3.3 三线圈系统中继线圈位置优化 3.3.1区间动态优化 3.3.2区间动态环境感知策略——网格检测机制 3.3.3区间动态优化算法 3.3.4区间动态优化算法流程 3.4 本章小结 第四章 磁耦合谐振式无线电能传输系统的电磁场仿真 4.1 耦合磁场仿真软件介绍 4.2 两线圈结构耦合磁场仿真分析 4.3 三线圈结构耦合磁场仿真分析 4.3.1 两线圈结构与三线圈结构磁场仿真对比分析 4.3.2 中继线圈的位置偏移对耦合磁场的影响 4.4 本章小结 第五章 磁耦合谐振无线电能传输系统实验平台设计与实现 5.1 系统整体架构 5.2 平台设计的关键参数 5.2.1 耦合线圈的选取 5.2.2 谐振电容的选取 5.2.3 电源电路的设计 5.2.4 发射端电路的设计 5.2.5 接收端电路的设计 5.3 控制电路设计 5.3.1控制器的选取 5.3.2电压检测电路设计 5.3.3电流检测电路设计 5.3.4频率调整电路 5.4控制策略及软件设计 5.5 带中继线圈系统的相关实验 5.6本章小结 第六章 总结与展望 6.1 全文总结 6.2 后期展望 |
