【优博聚焦】清华大学张艺明：磁耦合谐振式无线电能传输关键技术研究

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磁性谐振无线电能量传输的关键技术研究

张Yiming

导师：Zhao Zhengming

研究背景

自第二次工业革命以来，人类社会进入了电气化时代。电能已被广泛用于人类日常生产和生活中，并发挥着重要作用。当前，电能主要是通过金属在电线中直接接触的点对点传输。这种传统的“有线”电动传输方法存在安全性，便利性和适用性等问题。由于电线在使用过程中很容易磨损和老化，因此火花又影响电气设备的使用寿命和用电安全性，尤其是在特殊的工业场合（例如矿山）。随着人类经济的发展和社会的进步，各种电子设备已被广泛使用。这些消费电子设备受电池容量的限制，需要频繁充电。经常将充电电缆连接到充电会给人类生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期操作需要手术更换电池，这会给患者带来不便和疼痛。这些问题呼吁一种从金属电线传输电力的方法，即无线电力传输（WPT）。无线电能量传输（也称为非接触式电源传输（CPT））是指在没有直接电气接触的情况下不会在不使用导电材料（例如电线）的情况下通过直接电气接触的能量传输方法。 。

无线电能源传输可以在传统的“有线”传输方法不方便，危险，昂贵甚至不可用的情况国际市场研究公司Navigant Research的报告，2015年全球无线收费市场收入为13亿美元，预计将增长到179亿美元2024年，复合年增长率为60.49％。无线电传输行业具有无限的潜力。由于其广泛的应用前景和巨大的社会经济价值，无线电能源传输技术已连续两年（2012年和2013年）被世界经济论坛评为十大新兴技术之一，也被评为其中之一麻省理工学院技术评论的十大新兴技术。它被评为2016年前十名突破性技术之一。

信号的无线传输或无线通信技术使人类摆脱了位置和距离的限制，极大地促进了科学和技术的发展以及文化的传播，并有效地改善了人类的生活。实现无线电力传播将使人类能够摆脱电缆的限制，这将使人类在施加电力方面更广泛，更灵活，并且肯定会对人类的生活产生深远的影响。

无线电传输技术简介

无线电传输技术可以追溯到19世纪美国科学家尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla）进行的一系列研究。尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla）在1893年的哥伦比亚博览会上展示了无线磷光照明，并于1900年建造了守卫塔（也称为特斯拉塔），并计划将地球用作媒介并在整个地球上使用发射塔。表面上有一层低频电磁波，以实现无线能量传输。尽管该计划失败了，但他的一系列工作以及磁场感应，调整电路和高频共鸣的概念为尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla）作为无线电传输技术创始人的地位奠定了基础。

根据传输机制，可以根据图1对无线电传输技术进行分类。

图1无线电传输技术的分类

在当前的技术水平下，磁场耦合无线电传输技术具有较长的传输距离，较大的传输功率和高传输效率。磁场对人体的伤害比电场较小，因此吸引了更多的关注。在磁场耦合无线电传输技术中，发射端的线圈中的交流电流会产生交替的磁通量，并在接收端部分铰接到线圈。接收端的线圈通过负载形成闭环后，可以“无线”从传输端传输到接收端通过磁场的载荷。如图2所示，总结了磁耦合的共振无线电传输技术和硬件和软件的研究热门问题的组件。

图2磁耦合无线电传输技术的组件和研究热点

本文的主要研究内容和架构

为了回应有关磁耦合共振无线电传输研究中的缺点和现有问题，确定了本文的主要研究内容。基于解释磁耦合共振无线电能源传输系统的基本结构和基本理论，结合了其三个主要组成部分：电源，传输系统和负载，并考虑从电源的角度降低频率，线圈结构和四层结构。从传输结构的角度研究了两层线结构和四线圈结构的频率分裂问题，并从负载的角度分析了三个多负载传输结构的特征。从上述有关带动负载的无线充电系统的研究开始，结合了电动汽车无线充电系统，研究了带有主动负载的无线充电系统。用两种形式的电压源和电流来源对带有主动负载的无线充电系统进行了建模和分析，并研究了相关参数对传输特性的影响。本文的结构图如图3所示。

图3本文的架构

本文的具体研究内容如下：

（1）研究降低磁耦合谐振无线电传输频率的研究

建立了两个线层结构和四线圈结构的等效电路模型，引入了载荷匹配因子和传输质量因子，并提出了两层型结构和四线圈结构的统一传输效率模型。分析两层结构和四线圈结构的负载匹配问题。比较降低频率，增加电感器和增加电容的两种方法，指出增加电感器是保持传输效率无法显着降低的最佳方法。建立了用于负载匹配和频率降低两层结构和四线圈结构的实验装置，并使用实验结果来验证上述分析的正确性。

（2）磁耦合谐振无线电能量传输的频率分裂研究

引入了电源匹配因子和频率偏移因子，并提出了两层型结构和四线圈结构的频率分裂模型。研究了这两个结构的系统效率和输出电流的距离和频率特性，并且得出了系统效率和输出电流位于谐振频率和偏移谐振频率的表达式。两个结构的系统效率以及输出电流在谐振频率下获得最大值的条件以及发生频率分裂的临界条件。对两个结构的频率分裂之间的相似性和差异的比较分析。研究频率分裂的机制。分析系统输入阻抗，电源匹配因子和负载匹配因子对频率拆分的影响。建立了具有两层线条结构和四线圈结构的实验装置，并使用实验结果来验证上述分析的正确性。

（3）磁性谐振无线电能量传输的多载量

提出了三个用于磁耦合谐振无线电能传输的多载结构：1）继电器线圈的多载传输，即继电器线圈将电能都传递到下一阶段线圈，并作为接收线圈将电能传输到将电能传输到连接的线圈。加载。通过负载建立继电器线圈的模型kaiyun全站登录网页入口，推断每个负载效率的表达，并分析获得每个负载相同输出功率的条件。 2）选择性多载传输，即设置多个接收线圈以在不同的谐振频率下操作，并调整电源的驾驶频率以选择性地传输电源到特定的负载。建立选择性多载传输的模型，得出每个负载效率的表达，并分析接收线圈耦合对效率的影响。 3）使用负载线圈的多载传输，也就是说，负载通过负载线圈耦合到接收线圈kaiyun.ccm，并使用多载传输来实现紧凑的多载传输。建立使用负载线圈多载传输的模型，得出每个负载效率的表达，并分析负载线圈之间耦合对效率的影响。构建了实验设备kaiyun全站网页版登录，用于使用继电器线圈进行多载传输，使用负载线圈的选择性多载传输和多载传输，并使用实验结果验证上述分析的正确性。

（4）关于磁耦合谐振无线电传输的主动负载的研究

提出了带有电压源负载和电流源负载的磁耦合谐振无线电传输系统模型。研究了在三个工作条件下具有电压源负载的无线充电系统的传输特性，传输效率和输出功率的表达以及电压增益的值范围，并研究了相关因素对传输特性的影响。研究了具有当前源负载的无线充电系统的传输特性，传输效率和输出功率的表达以及传输范围的值范围，并分析了相关因素对传输特性的影响。构建一个适用于具有电压源负载和当前源负载的电动汽车无线充电的系统，并使用实验结果来验证上述分析的正确性。

本文的主要创新

（1）提出了两个线圈和四个线圈结构的统一传输模型，揭示了传输效率，谐振频率和系统参数之间的相互影响关系，以及用于降低共振频率的参数设计方案，提供了改善的理论基础系统容量。 。

（2）提出了两层和四线圈结构的频率分裂模型，研究了与近距离传输中偏离谐振频率的最佳工作点的问题，为优化接近 - 的理论基础范围传输频率。

（3）提出了三种类型的多负载变速器，并研究了使用继电器线圈，选择性的多载传输结构和使用负载线圈的多载传输结构的多载传输结构。分析了效率优化问题，以使多载传输的实际情况。应用提供了理论基础。

（4）提出了具有主动负载的系统传输模型，分析了相关参数对传输性能的影响，并提供了诸如无线电电动汽车无线充电等应用的理论基础。

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作者个人资料

Zhang Yiming（1988），Male，PhD，主要从事无线电传输研究，zhangym07@gmail.com。

Zhengming教授来自Tsinghua University电动机的团队目前主要从事高功率高压电力电子技术，光伏电网连接的发电，其应用，电动机及其控制以及无线电能源传输的研究。他连续进行并完成了许多国家关键研究项目，国家“ 863”项目，国家自然科学基金会的主要和关键项目，以及许多大规模的水平科学研究项目和国际合作项目。在国际学术期刊，国际会议和国内核心期刊上，已有400多篇学术论文发表，其中包括近300篇EI源期刊和40多个SCI源期刊； 8科学和技术书籍已被编辑并参与了汇编。我们连续开发了450-5000kW/6kV高压逆变器，15-315kW/400V系列高性能转换器，5kW-5kW-5kW-5kW串联光伏电网连接的逆变器和其他产品，并已被广泛使用。