非线性无线电能传输系统稳健设计方法研究.pdfVIP

摘要

作为一种新兴的电能传输方式，磁耦合谐振式无线电能传输(MagneticCoupling

ResonantWirelessPowerTransfer，MCR-WPT)技术获得了广泛的关注。该技术采用非物

理接触方式将电能传输到负载端，具有安全可靠、灵活高效的优点，近年来在消费电子、

生物医疗、家用电器等领域获得了成功应用。MCR-WPT技术以电磁场为媒介，通过强

耦合的磁共振通道实现电能无线高性能传输。因此，高效的MCR-WPT系统对线圈谐振

状态的稳定性和磁耦合程度有严格的要求。然而，在户外、高空、水下等实际应用环境

中，金属障碍物、线圈位置偏移等外界因素极易影响MCR-WPT系统的谐振状态和磁耦

合程度，造成最佳工作点发生偏移，导致传输性能降低。因此，研究金属障碍物、线圈

位置偏移等扰动因素下的稳健无线电能传输理论与关键技术具有十分重要的现实意义。

本文将非线性振动理论引入MCR-WPT系统稳健性设计中，开展了非线性谐振WPT

系统金属障碍物扰动抑制方法和基于非线性谐振网络的抗偏移WPT系统设计方法研究，

为外界因素干扰下MCR-WPT系统稳健性设计提供一条崭新途径。主要工作内容如下：

首先，从线性互感耦合模型和正弦稳态电路出发，以等效电路构建为基础，分别建

立了S-S、S-P型MCR-WPT拓扑结构数学模型，推导了输出电压、电流的数学表达式，

并对其工作特性进行定性分析。以非线性振动理论为切入点，分析了非线性有阻尼强迫

振动的跳跃特性与初值响应特性，推导了非线性幅频特性突降点与非线性参数间的数学

表达式；基于非线性元件物理特性，结合谐振电路理论，对不同形式的非线性谐振器进

行建模分析，为后续无线电能传输系统稳健设计奠定了理论基础。

其次，针对传输路径存在金属障碍物扰动工况，提出了一种非线性谐振WPT系统

金属障碍物扰动抑制方法。分析了金属障碍物作用下线圈等效自感、互感、内阻以及谐

振频率的变化规律，研究了基于非线性谐振的WPT系统金属障碍物影响抑制机理，在

此基础上，推导了非线性幅频耦合特性与非线性电路参数间的数值关系。基于理论分析，

设计并搭建仿真和实验平台对所提方法进行验证。研究表明，该方法可以有效抑制金属

障碍物对系统传输性能的影响，且当金属障碍物位于传输路径不同位置时仍能保持较高

传输效率和输出功率。

最后，针对线圈位置偏移造成线圈耦合程度降低的情况，提出了一种基于非线性谐

振网络的抗偏移WPT系统设计方法。分析了传输距离变化与收发线圈径向位置偏移情

况下谐振器互感的变化规律。在S-P型拓扑结构的去耦等效电路基础上，将发射端串联

型非线性谐振特性与接收端并联型非线性谐振特性进行复合，进而推导发射端电流、输

出电压以及传输效率的表达式。基于理论分析，设计并搭建仿真和实验平台对所提方法

进行验证，研究表明，所提基于非线性谐振网络的抗偏移WPT系统设计方法可在线圈

位置出现较大偏移情况下实现电能的高效传输。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输，非线性振动，金属障碍物，位置偏移

ABSTRACT

Asanewmethodofelectricenergytransmission,MagneticCouplingResonantWirelessPower

Transfer(MCR-WPT)technologyhascapturedwideattention.Thetechnologytransmitpowertotheload

sidewithoutphysicalcontact,whichhastheadvantagesofsafety,reliability,flexibilityandefficiency.In

recentyears,ithasbeensuccessfullyappliedinconsumerelectronics,biomedicine,householdappliances

andotherfields.Magneticcouplingresonantwirelesspowertransfertechnologyusesele