基于无线能量传输的磁耦合线圈结构优化分析开题报告

 2020-04-02 11:04
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1. 课题研究背景及意义

电能对于我们来说是必不可少的。电能到我们的设备主要经过三个大部分:发电厂,传输线路,用电设备。发电厂比较固定,用电设备具有一定的移动性,通用的方法是从发电厂用导线传输到千家万户,然后再通过导线连接我们的用电设备。无论是长距离还是短距离传输电能,都需要用到导线,这就导致了用电设备都有一根连接导线,就好像一根“尾巴”,对于具有移动特性的用电设备来说,导线供电就不再是那么方便,而且导线存在老化问题,既产生安全问题,又影响美观。而无线电能传输,就可以很好的解决这些问题,它可以彻底的把用电设备从导线中解放出来,不再依赖导线而能单独存在。

自19 世纪中期人类发现电磁感应规律后,人类就开始了对无线能量传输技术的摸索和探究。19 世纪末,特斯拉(Tesla)首次进行了远距离无线能量传输的实验,但由于当时条件和技术所限实验并未取得成功。在此之后人类经过了一百多年的发展和积累,但能量传输的基本形式并未发生改变(能量都是通过有线的形式进行传输)。当人类进入到 21 世纪后,随着科学技术的发展其给人类的生产和生活带来了日新月异的变化,人们在生活中越来越离不开智能电子设备,但依靠传统的金属导线给电子产品的传输能量的形式并未改变。无线充电技术主要利用的是磁共振、电磁感应线圈以及无线电波等原理而实现的,是现今发展起来的一项充电技术,通过采用无线充电技术可以将人们从繁杂的有线充电中解放出来,避免了因忘带充电设备或是需要携带过多的充电线与适配器而带来的困扰。在电能使用的通用性、便携性、安全性、应急性以及绿色性上,无线传输模式都将获得极大的提高。

相信在不久的将来无线充电技术将会进入到我们的日常生活中,随着无线充电技术研究的不断深入,无线充电技术也能为电动汽车等提供便捷的充电服务,从而对促进新能源汽车的发展应用提供不小的推动力。

1.1国内研究现状

重庆大学的孙跃教授课题组对无线电能传输原理进行了充分研究以及研制出一系列的无线电能传输装置。分析了谐振网络参数对频率稳定性的影响规律,提出一种基于方波载波占空比调制的能量信号并行传输方法;提出一种新型的原边控制方法;实现 600W~1KW 的电能输出,传输效率达到 70%。

哈尔滨工业大学的朱春波教授对磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理、特性、驱动电源及系统损耗进行了详细的研究。设计了一款 DSP 主控基于磁耦合谐振技术的自主寻找声源的无线充电机器人系统;使用 E 类功率放大电路作为系统高频功率源,分析了负载阻抗特性并提出了调节方法;提出应统筹考虑降低有功损耗与驱动源损耗的设计原则;同时申请了无线充电机器人、智能无线充电吸尘器等多项专利。

华南理工大学的张波教授课题组在磁耦合谐振式无线电能传输系统中加入了频率跟踪,解决了频率失谐带来的问题。提出一种基于 E 类功率放大电路的软开关高频逆变电路;指出有效传输距离 47.7m 以内,系统不可能无损传输,谐振频率应该在 1~50MHz 内。

东南大学的黄学良教授课题组研究了频率分裂、频率一致性、发射和接收天线设计等,另外对电磁辐射、电磁兼容及产品推广标准也进行了研究。设计了一套小功率系统,发现谐振式系统电流过大不稳定的现象。

天津工业大学的杨庆新教授课题组自 2007 年开始研究无线电能传输技术,获得了多项成果。提出了一种 ARM FPGA 的高频信号采集方案,应用在高铁无线供电模型中,可以在高铁负载波动的情况下对功率进行补偿控制;计了一套带有屏蔽功能的系统,建立了有限元模型,分析了磁场分布;对磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率点和最大效率点进行了分析,频率分裂现象导致最大功率点和最大效率点不一样;设计了一套消除电磁干扰的硬件电路,经实验验证可以有效抑制和消除电磁干扰。

1.2国外研究现状

美国麻省理工学院(MIT)2007 年最早提出磁耦合共振的概念,研究成果发表在 2007 年的《SCIENCE》杂志上,一经发表立刻引起国内外各大高校及研究人员的广泛关注,引起了研究磁耦合共振技术的热潮。他们使用了单层线圈,在两端各放置了一个平板电容器与线圈组成谐振回路,线圈采用粗铜线绕制成圆柱形空间螺旋线圈,线圈匝数为 5 匝,谐振频率在 10.56MHz 左右,在 2m 传输距离处实现了 60W 的传输功率,传输效率在 40%左右,他们将此项磁耦合共振无线电能传输技术命名为“WiTricity”,并成立了相应的无线电力公司,开发工业、医疗、军事领域的无线充电装置,目前研制的部分产品己经商业化,可以实现对纯电动或混合动力电动汽车进行高效率的无线充电。

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