【摘要】：磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)具備傳輸距離遠(yuǎn)、效率高的優(yōu)點(diǎn),在人們的日常生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)多年科學(xué)研究,磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)幕驹砗吞攸c(diǎn),已為人熟知,但在工程實(shí)用化中遇到的技術(shù)難題限制了該技術(shù)的使用推廣。分析特定領(lǐng)域無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳輸特性,提升系統(tǒng)實(shí)用性,是當(dāng)今無(wú)線輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電、平面無(wú)線充電平臺(tái)、高頻小功率系統(tǒng)以及中距離無(wú)線供電四類主要應(yīng)用,分析了各自的功效特性,提出了提升功率穩(wěn)定性、傳輸效率和傳輸距離的優(yōu)化方法,為促進(jìn)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的實(shí)用化,提供了可行的技術(shù)解決方案。全文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中,傳輸線圈位置改變引起的輸出功率劇烈波動(dòng)問(wèn)題,提出了原邊非諧振-副邊諧振的串串電路模型。通過(guò)原邊補(bǔ)償電容的優(yōu)化設(shè)計(jì),穩(wěn)定線圈偏移狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出功率。利用副邊合適的斬波電路,提高動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)平均效率。搭建了采用副邊升壓電路的串串模型無(wú)線輸電系統(tǒng)樣機(jī),進(jìn)行了線圈偏移實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明了當(dāng)傳輸線圈耦合系數(shù)變化率為200%時(shí),輸出功率維持穩(wěn)定,而且系統(tǒng)的平均效率可達(dá)88.6%。(2)通過(guò)理論分析相對(duì)充電高度與方形線圈上方平面磁場(chǎng)分布的密切聯(lián)系,說(shuō)明了當(dāng)充電高度較大時(shí)普通方形線圈在調(diào)控磁場(chǎng)方面的局限。提出了適用于較遠(yuǎn)充電平面均勻磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的多重反平行方形發(fā)射線圈,用以削弱無(wú)線充電平臺(tái)中接收器位置改變引起的負(fù)載功率波動(dòng)。搭建了充電高度為5 cm的基于普通方形線圈以及新型發(fā)射線圈的平面無(wú)線充電系統(tǒng),驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。當(dāng)采用新型發(fā)射線圈且接收線圈于26 cm×26 cm充電區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí),系統(tǒng)的輸出功率和效率維持穩(wěn)定。(3)在高頻小功率無(wú)線輸電系統(tǒng)中,近距離時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳輸功率的頻率分裂現(xiàn)象,且系統(tǒng)功率會(huì)隨傳輸距離的增大而劇烈衰減。為了提升系統(tǒng)傳輸功率的穩(wěn)定性,提出了基于非等大線圈的混聯(lián)電路模型。利用非等大線圈抑制線圈耦合強(qiáng)度,消除近距離頻率分裂。通過(guò)混聯(lián)電路的合理設(shè)計(jì),提升高功率傳輸效率的傳輸距離。搭建了9.7 MHz的基于非等大線圈的高頻混聯(lián)無(wú)線輸電系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)傳輸距離由3 cm增大至24 cm時(shí),未出現(xiàn)頻率分裂,且傳輸系數(shù)|S_(21)|的衰減值僅為3.4 dB。(4)為了提升中距離無(wú)線輸電系統(tǒng)傳輸效率,分析了四線圈系統(tǒng)的傳輸特性,總結(jié)了系統(tǒng)頻率、線圈品質(zhì)因子以及線圈匹配對(duì)于系統(tǒng)效率的影響。為了提升傳輸線圈的耦合強(qiáng)度,基于負(fù)磁超材料的電磁聚焦效應(yīng),設(shè)計(jì)了諧振環(huán)超材料結(jié)構(gòu)單元,工作頻率為2.8 MHz時(shí),其等效磁導(dǎo)率為-1.1。搭建了基于方形傳輸線圈以及圓形傳輸線圈的四線圈無(wú)線輸電系統(tǒng),探究了超材料加載后系統(tǒng)效率的變化規(guī)律。選取圓形線圈的系統(tǒng)傳輸效率比方形線圈系統(tǒng)提高了5%。當(dāng)超材料選取最優(yōu)的加載位置后,傳輸距離為1.4 m和2 m時(shí),效率分別提升了11.4%和5%。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)磁超材料對(duì)于提升中距離無(wú)線輸電系統(tǒng)效率的重要意義。從提升效率、提高傳輸距離和增強(qiáng)系統(tǒng)功率穩(wěn)定性方面入手,探究四種無(wú)線輸電系統(tǒng)的傳輸特性,提出了各自系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,能為提升無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性奠定基礎(chǔ)。同時(shí),將超材料設(shè)計(jì)和無(wú)線電能傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合,驗(yàn)證了負(fù)磁超材料在提升電能傳輸效率方面的現(xiàn)實(shí)意義,為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化提供有效的技術(shù)途徑。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM724

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2801686