【摘要】：無(wú)線能量傳輸是通過電磁能或電磁波實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)。它具有安全性好,可靠性高,維護(hù)成本低和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),伴隨著電子器件、測(cè)量控制、功率轉(zhuǎn)換等技術(shù)的不斷更新,無(wú)線能量傳輸技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。醫(yī)療、交通、生活、軍事、電力等越來(lái)越多的領(lǐng)域都出現(xiàn)了無(wú)線能量傳輸?shù)膽?yīng)用實(shí)例。不同的應(yīng)用領(lǐng)域也對(duì)無(wú)線能量傳能技術(shù)提出了更高、更明確的要求。磁共振式無(wú)線能量傳輸是基于磁耦合共振原理的一種無(wú)線能量傳輸模式,它利用非輻射的磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸,在兩倍共振線圈直徑的傳輸距離下傳輸效率可高達(dá)80%。傳輸中收發(fā)端無(wú)需精確對(duì)準(zhǔn),傳輸具有良好的穿透性。論文圍繞磁共振式無(wú)線能量傳輸,在基于傳輸節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)建�；A(chǔ)上,對(duì)磁共振系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性控制、復(fù)用性設(shè)計(jì)等方面展開研究,旨在推動(dòng)無(wú)線能量傳輸向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。首先,論文將傳輸中的諧振單元定義為傳輸節(jié)點(diǎn);根據(jù)節(jié)點(diǎn)端口的有源和無(wú)源特性,將傳能系統(tǒng)劃分為單有源單無(wú)源、單有源多無(wú)源、多有源單無(wú)源和多有源多無(wú)源四大類,將不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同實(shí)現(xiàn)方式的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行歸類;建立各類系統(tǒng)基于傳輸節(jié)點(diǎn)的等效模型,將系統(tǒng)中各種諧振單元及單元之間繁雜的耦合關(guān)系,簡(jiǎn)化為明確的電路結(jié)構(gòu)和元件關(guān)系,簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析的復(fù)雜度,提高設(shè)計(jì)的便易性。雖然論文主要研究的是磁共振無(wú)線能量傳輸,但此分類方式同樣也適用于其他各類無(wú)線能量傳輸?shù)姆诸�。接�?在等效模型的基礎(chǔ)上,論文研究了小尺寸單有源單無(wú)源系統(tǒng)在封閉介質(zhì)環(huán)境中的能量傳輸;對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率失諧現(xiàn)象進(jìn)行分析,提出基于節(jié)點(diǎn)物理結(jié)構(gòu)控制的頻率跟蹤技術(shù),增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;并對(duì)節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提高系統(tǒng)傳輸效率,為小尺寸高頻段磁共振無(wú)線能量傳輸在醫(yī)療植入設(shè)備中的應(yīng)用提供參考。然后,論文提出兩種單有源多無(wú)源無(wú)線能量傳輸結(jié)構(gòu),分別改善頻率分裂和提高傳輸帶寬,增強(qiáng)傳能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和復(fù)用性。針對(duì)單有源單無(wú)源系統(tǒng)頻率分裂時(shí)諧振頻點(diǎn)處傳輸效率急劇下降現(xiàn)象,論文提出含平行輔助節(jié)點(diǎn)的單有源多無(wú)源結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案,在不改變?cè)?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和傳輸距離的情況下,提高頻率分裂時(shí)的系統(tǒng)傳輸效率�？紤]到信息能量同傳對(duì)傳輸系統(tǒng)的帶寬需求與單有源單無(wú)源系統(tǒng)窄帶傳輸之間的沖突,論文提出基于耦合濾波器理論的含中繼的單有源多無(wú)源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,通過數(shù)值擬合和數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化架構(gòu),在提高系統(tǒng)傳輸效率的同時(shí),改善傳輸帶寬,提高信息傳輸?shù)乃俾省６?論文對(duì)雙頻節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以簡(jiǎn)化多有源多無(wú)源能量傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。為了兼容不同傳能標(biāo)準(zhǔn),或者為了滿足高接收功率的需求,系統(tǒng)常常需要進(jìn)行多頻段同時(shí)傳輸能量。采用具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的諧振頻點(diǎn)的多頻節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多頻段傳輸,可減少傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)目,降低傳輸節(jié)點(diǎn)體積,簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。論文從等效諧振電路角度探討了多頻節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和阻抗匹配的實(shí)現(xiàn),提出了L型、層疊型和平面緊湊型雙頻節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法,對(duì)節(jié)點(diǎn)的雙頻傳輸性能進(jìn)行分析,并將其與現(xiàn)有傳能標(biāo)準(zhǔn)(A4WP,Alliance for Wireless Power)設(shè)備和近距離無(wú)線通訊(Near Field Communication,NFC)設(shè)備進(jìn)行信息能量同傳,為系統(tǒng)信能同傳的一體化設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)便、有效的實(shí)現(xiàn)。最后,論文對(duì)完成的工作及取得的研究成果進(jìn)行總結(jié),指出了研究的不足以及未來(lái)的探索方向。
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN92;O482.531
【圖文】：

量傳輸技術(shù)概述無(wú)線能量傳輸?shù)奶岢雠c發(fā)展 Marin Soljacic 和其研究團(tuán)隊(duì)利用磁共振的方式，使用兩個(gè)旋線圈，成功點(diǎn)亮了在 2 米之外一個(gè) 60W 的燈泡（如圖技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)為這項(xiàng)技術(shù)命名為“WiTricity（WirelessEle技術(shù)。在其發(fā)表的文獻(xiàn)[2]中，作者建立了基于耦合模理論方法，從理論上探究了磁共振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)的近后的幾年內(nèi)，磁共振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)成為了各大研

圖 1.2 帶中繼的無(wú)尾電視[33]美國(guó)斯坦福大學(xué)研究小組對(duì)深組織微植入式能量傳輸進(jìn)行研究[34]，提近場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微小尺寸（mm 級(jí)）深組織（>5cm）下毫瓦級(jí)能量的安全和工作場(chǎng)景如圖 1.3 所示。圖 1.3 微型植入式心臟起搏器[34]京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)螺旋線圈開路、短路、串聯(lián)電容和并聯(lián)電容時(shí)的傳用高階自諧振短路線圈實(shí)現(xiàn)了 85kHz 與 6.78MHz 的雙頻線圈設(shè)計(jì)[3

垂直中繼的磁共振能量傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 150 瓦 47 寸無(wú)尾 LED 電視的無(wú)線供電，如圖 1.2所示。整機(jī)傳輸效率達(dá) 80%。圖 1.2 帶中繼的無(wú)尾電視[33]2014 年美國(guó)斯坦福大學(xué)研究小組對(duì)深組織微植入式能量傳輸進(jìn)行研究[34]，提出使用特制金屬板控制近場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微小尺寸（mm 級(jí)）深組織（>5cm）下毫瓦級(jí)能量的安全無(wú)線傳輸，其植入部分和工作場(chǎng)景如圖 1.3 所示。

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