磁耦合谐振式无线电能传输效率的优化研究.pdf

摘 要 磁耦合谐振式无线电能传输技术与电磁感应技术和微波能量传输技术相比，具有距离适中，效 率适中，功率适中的优点，并拥有良好的市场应用前景，所以近些年来一直是国内外学者研究的热 点。本文以磁耦合谐振式无线电能传输系统在大功率传输下如何提高传输效率为研究目标，对系统 的传输特性、耦合线圈结构参数以及系统传能电路方面进行优化，使无线传能系统整体工作在最佳 状态。主要工作内容如下： 首先，本文介绍了无线电能传输技术的发展背景和应用领域，然后对比了三种主流无线电能传 输方式的优缺点，分析了国内外无线电能传输技术的研究现状和进展。 其次，利用两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输等效电路模型，推导了系统传输功率和效 率表达式，分析了耦合系数、互感系数、负载电阻与系统传输功率和传输效率的关系，以及在临界 耦合距离下系统的传输功率和效率。并借助COMSOLMultiphysics进行物理场仿真，通过分析系统 传输特性 （频率特性、距离特性、方向特性、负载特性），总结出系统保持在较高功率和效率值的 区间范围。 接着，在系统的传输特性分析结果的基础上，对磁耦合谐振式无线电能传输实验系统进行设计 优化，具体包括系统耦合线圈（线圈材质、线径、匝数）、系统发射端电路中的E 功率放大电路 （开 关管的选取，开关管特性仿真，稳定性电路设计，匹配电路设计，整体电路的仿真）、系统接收端 电路 （整流滤波电路、稳压电路），实现系统中远距离下的高效率无线电能传输。 最后，根据系统的设计优化结果搭建了无线电能传输实验平台，通过对距离特性、方位特性、 负载电阻进行实验验证，分析系统传输特性仿真的正确性。实验结果表明：系统使用优化后的线圈 结构参数不仅提高了系统传输效果。在传输距离为临界耦合距离时，收发线圈偏移和偏转角度的允 许变化范围得到了提高；在磁耦合谐振式无线电能传输系统中不存在最佳负载电阻使传输功率和传 输效率同时取得最大值，仅且只有一个最佳负载分别与系统传输功率和传输效率最大值相对应。 关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；有限元仿真；线圈结构参数；E 类功率放大器 I Abstract Comparedwith electromagnetic induction technology andmicrowave energy transmission technology, magnetic coupledresonanceradio energy transmission technology hasthe advantages ofmoderate distance, moderate efficiency andmoderatepower,andhas a goodmarket application prospect.In thispaper,how to improve the transmission efficiency of magnetically coupled resonant radio energy transmission system in high-power transmission is studied, and the transmission characteristics of the system, coupling coil structure parameters and system energy transmission circuit are optimized to make the wireless energy transmission system work in thebest state.Themain contentsareasfollows: Firstly, this paper introduces the development background and application fields of radio energy transmission technology, then compares the advantages and disadvantages of three main radio energy transmission methods, and analyzes the