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第一章 绪论
1.1 无线电能传输方式概述
无线电能传输是在没有导体连接的情况下以电磁场为媒介把电能从电源传输到到负载的技术，这个电磁场可以是近区场，也可以是远区场。如图 1-1 所示，无线电能传输主要可以分为三种方式：电磁辐射式无线电能传输、电场感应式无线电能传输和磁场感应式无线电能传输[4,5,6]。其中电磁辐射式无线电能传输工作在远场区，通常利用微波和激光两种媒介实现电能的传输。电场感应式无线电能传输和磁场感应式无线电能传输则是工作在近场区，磁场感应式无线电能传输又可以分为感应耦合式无线电能传输和磁耦合谐振式无线电能传输。激光辐射式无线电能传输的基本原理如图 1-3 所示，利用激光驱动器把直流电转变为激光输入到激光器，然后再由激光发射天线发送出去，大功率的激光射束经过一段远距离的自由空间到达激光接收天线被收集，再通过光电装换装置转变为电能，经整流滤波后转变为直流电输出供负载使用。自 20 世纪 80 年代以来，美国、加拿大、日本和欧洲等国都把电磁辐射式无线电能传输技术作为解决能源短缺的一种重要手段，在卫星、空间轨道输电和小功率便携设备供电等领域进行了大量的研究与试验，并取得了一定的成果。2015 年 2 月，日本三菱重工在神户造船所内成功实现了相距 500 米的微波辐射无线电能传输（图 1-4）[7]，这是迄今为止在日本微波无线输电中距离最长、电力最大的一次成功试验。我国近年来也开展了微波无线输电的研究，在医疗、工业等领域开展了微波式近距离无线电能传输技术的研究。
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1.2 本课题的研究背景
接触式电能传输模式是以导体为媒介传送电能的，这种电能传输模式从第二次工业革命开始得到广泛应用，为人类社会的发展作出不可磨灭的贡献。但随着社会的发展，这种传统的用电模式的局限性逐渐显现。接触式供电的传输导线及绝缘体容易产生磨损，并且在插拔时产电火花或电弧，导致漏电等用电不安全现象出现。此外，导线的存在使接触式供电在人体内、水下和矿井等封闭的环境里不便使用。基于此，无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术应运而产，该技术使用电磁波、微波、电场等替代导体作用电能传输的媒介，实现电源与用电设备的电气隔离，具有安全、可靠、灵活等接触式电能传输无可以拟的优点。根据电能传输原理的不同，无线电能传输技术可分为电磁感应式、微波式、激光式以及电场耦合式等。在这些无线电能传输技术中，激光式对环境要求较高，只能实现点对点的传输；微波式存在辐射强的缺点；电场耦合式技术尚未成熟。基于电磁场近场耦合的感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)技术具有辐射小、传输距离较远等优点，是目前应用得最广泛的 WPT 技术。在 ICPT 技术的基础上发展而来的磁共振耦合式无线传输(magnetically resonantcoupling wireless power transfer，MRC-WPT)技术在 2007 年由麻省理工大学提出，该技术利用谐振线圈的磁共振建立传输通道，大幅度提高中距离传输的传输效率。对谐振线圈的方向与位置精确度要求低，即发射线圈与接收线圈之间的偏移或远离对传输性能影响较小；能量的传输有很强的选择性，即能量仅在具有相同的固有谐振频率的物体之间传输；对非磁性障碍(木质、混凝土等)的穿透能力强；具有非辐射性，因此不存在严重的电磁干扰现象，且对人体健康危害小。因此 MRC-WPT 技术适合应用于动态无线电能传输系统。基于 MRC-WPT 原理的动态无线电能传输系统，结合针对高偏移性的补偿拓扑以及功率调节方法，能为发射机构和接收机构发生相对偏移的系统提供可持续的供电。
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第二章 无线电能传输机制及建模
2.1 引言
磁感应式无线传输技术的起源可追溯至特斯拉线圈，以感应磁场为媒介实现能量的传输，可用松耦合变压器模型来阐述。磁共振式无线传输技术可以看做是磁感应式无线传输技术的一种特殊形式，也能用松耦合变压器模型来阐述。由于线圈谐振频率一致，耦合模理论能更加直观地阐述磁共振系统的原理，清楚地展示能量的流动。本章从磁路角度深入分析松耦合变压器，建立出磁感应无线传输系统的互感模型，进而应用耦合模分析磁共振式无线电能传输系统，并对比互感理论和耦合模理论，得出两种建模方法的参数的关系。
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2.2 变压器模型
本节从磁路角度对变压器模型进行分析，从全耦合磁阻为零的理想变压器模型逐步深入到包含励磁电感的模型，并最终引出松耦合变压器模型的互感模型和漏感模型。实际变压器中，除了同时交链原、副绕组的主磁通外，还存在着只交链一个绕组的磁通，称为漏磁通。漏磁通所经过的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大，且不传递功率。在松耦合变压器中，由于气隙较大，耦合系数较低而漏感较大，所以必须考虑漏感。
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第三章 两线圈系统的补偿拓扑的研究........24
3.1 引言.......24
3.2 基本补偿拓扑.........24
3.3 基本补偿拓扑的偏移特性.......29
3.4 SPS 补偿拓扑的偏移特性........33
3.5 本章小结........36
第四章 无线电能传输系统的功率调节方法.........37
4.1 引言.......37
4.2 品质因数........40
4.3 互感优化设计.........46
4.4 功率调节........48
4.5 本章小结........56
第五章 动态无线电能传输系统的设计........57
5.1 引言.......57
5.2 SCC 结构的工作原理及特性分析 ....57
5.3 基于开关可控电容的输出功率闭环控制..........64
5.4 本章小结........71
第五章 动态无线电能传输系统的设计
5.1 引言
通过改变驱动线圈和负载线圈的补偿电容，可以调节四线圈无线电传输系统的输出功率和传输效率。发射机构和接收机构发生相对偏移时，耦合系统的改变使系统的最大功率点和对应的补偿电容值发生改变。当负载线圈的补偿电容取最优功率值时，通过移相控制开关管的导通和关断来调节驱动线圈的补偿电容的等效电容的大小，实现了对系统驱动线圈的动态电容补偿，从而实现偏移过程中，对输出功率最大点进行追踪。如图 5-1 和图 5-2 所示，SCC(switch-controlled capacitor)结构是一种通过改变与固定值电容串联的开关管的开通时间和关断时间来等效出所需电容值的装置。按照周期内可控时间，可分为全波可控电容结构和半波可控电容结构。如图 5-1 所示，半波型 SCC结构串联一个单向可控开关管，开关管导通半个周期，电容充放电半个周期，开关管关断时，电容充放电；如图 5-2 所示，全波型 SCC 拓扑两个反向开关管串联，然后并联电容，反向串联的两个开关管各开通关个周期，与半波结构相同，开关管关断时，并联电容充放电。
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总结
无线电能传输具有更高的便利性和安全性，近年来得到很大的发展，在生产和生活领域得到了广泛的应用。但在应用过程中，偏移现象会造成输出功率和传输效率的下降，针对这一现象，本文对动态无线电能传输系统做出了以下研究：
1、介绍了无线电能传输技术的分类情况，并阐述了三种技术的特点和国内外研究现状，简要对比了各自优缺点以及适用场合。介绍了动态无线电能传输系统的研究背景以及存在的主要技术问题。
2、通过分析松耦合变压器模式建立了无线传输系统的互感模型，并使用耦合模理论来解释磁共振耦合无线电能传输系统的能量传输机制，分析了线圈内阻带来的损耗、激励源输入的能量以及两个线圈能量交换等因素对系统能量的影响，最后对比互感模型和耦合模模型，得出两种模型的参数的对应关系。
3、推导出两线圈无线电能传输系统的基本补偿拓扑的补偿电容值，在此基础上给出了基本补偿拓扑的输出功率和传输效率的表达式。并进一步分析和对比四种基本补偿拓扑的偏移特性。结合基本补偿拓扑的特点，提出一种针对高偏移的 SPS 补偿拓扑。#p#分页标题#e#
4、分析多线圈无线电能传输系统的中各线圈品质因数对系统的输出功率与传输效率的影响，在此基础上提出一种调节驱动线圈和负载线圈的补偿电容的功率调节方法，并引入开关控制电容结构来无级差调节补偿电容，通过仿真和实验验证了其可行性。最后使 NI sbRIO 嵌入式系统对四线圈磁共振无线电能传输系统进行闭环控制，实现对最大功率点的自动追踪。
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参考文献（略）
