多线圈无线电能传输系统负载特性研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

电能传输主要是通过导线完成的,其在输送电能的过程中存在一定的能量损耗,且导线老化易引发火灾,影响到电能传输的可靠性和安全性。电气设备通过插头、插座等进行通电时,不仅使用范围受限,而且随着用电设备的增多,冗余的电线会占用大量空间资源。在一些特殊场合,如在矿井中进行有线输电易引起爆炸,在医院中将植入人体内的医疗设备取出更换电池将给患者带来诸多不便,因此,无线电能传输技术(wireless power transfer,wpt)的实现与应用具有重要的实际意义,它能避免以上有线输电带来的诸多问题,使用电变得更加安全和便捷,该技术在智能家居、生物医学、工业机器人、轨道交通、甚至军事战术等领域都将有着重要的应用价值[1]

根据不同的传输机理,wpt技术大致可分为三种:微波辐射式、磁耦合感应式(magnetically coupled inductive, mci)和磁耦合谐振式(magnetically coupled resonant, mcr)。

微波辐射式wpt技术,就是利用转换装置在发射端将电能转化为微波进行发射,再在接收端将微波还原为电能从而实现无线输电。1968年,美国工程师peter glaser提出了空间太阳能发电的概念,即利用卫星采集太阳能进行发电,由微波辐射式wpt技术将电能输送回地球供人类使用[2]。1987年,加拿大的sharp项目团队利用微波能量束使得轻型无人机在150m的空中飞行了20分钟。虽然微波能够实现大功率无线电能传输,但是由于微波不能穿透障碍物且发射器与接收器需要精确对准,因此能量传输的方向性较差。微波在空气中传输效率低,并且大能量辐射会对人体和其他生物产生较大伤害,该技术一般只用于特殊场合,如太阳能发电站、微波飞机等科技领域[3]

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2. 研究的基本内容与方案

本文重点针对多线圈单输入、单输出mcr wpt系统(原理如图1)在负载非剧烈变化条件下能量传输效率随线圈间距离和中继线圈匝数变化的函数关系展开研究, 旨在推导出系统传输效率在中继线圈数为n(任意值)时的表达式。

双线圈mcr wpt系统基本结构原理图如图2所示,主要包括发射端和接收端两部分。发射端由高频电源、发射线圈和与发射线圈串联的匹配电容组成,与发射端相隔一段距离的接收端由接收线圈、与接收线圈串联的匹配电容和负载组成,其中发射线圈和接收线圈之间空气为介质通过磁场耦合的方式进行能量传输。

由于双线圈结构的 mcr wpt 系统传输效率会随着传输距离的增大明显降低,为提高长距离场合下的功率和效率,常采用以下几种措施:一是选择较高的系统谐振频率;二是设计尺寸较大的谐振线圈来改善传输性能;三是优化系统参数以实现系统的阻抗匹配。第一种措施在较高的谐振频率下,电源难以实现较大的功率输出,且过高的谐振角频率不仅缩小了系统的稳定域度,对器件的要求也特别高,可行性较小。第二种措施通过设计较大尺寸谐振线圈的方法在传输空间有限的场合下无法应用,可行性也不大。第三种措施关于通过阻抗匹配来实现输出功率和系统效率的优化研究较多:文献[8]提出在次级侧对有源整流的移相角 δ 及同步整流角 φ、稳压电路的占空比 d 进行复合控制的方法来实现等效负载阻抗的动态调节;文献[9]研究发现当双线圈无线电能传输系统的系统参数确定时,功率最优负载值和效率最优负载值唯一确定,这种唯一性极大地限制了系统的带载能力,且当最优负载阻值将随着传输距离的增大而减小并与接收线圈内阻在同一个数量级上时,无论是匹配最大效率或最大功率,均达不到较好效果,从而给出了利用在自由空间增加中继线圈动态调节其与发射线圈的距离以及中继线圈的匝数的方法来复合优化系统输出功率和效率。因此本文主要采取第三种方式,即以改变中继线圈的参数进行阻抗匹配来研究系统的效率特性和负载特性。

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3. 研究计划与安排

2019年3月8日前:调研、查阅资料、结合毕业设计任务书,了解多线圈无线电能传输的基本知识和进行无线电能传输仿真的基本手段,确定总体方案,完成开题报告;翻译英文资料。

2019年3月9日至2019年3月29日:深入理解多线圈无线电能传输的本质,建立双线圈、三线圈、四线圈及多线圈mcr wpt系统的数学模型,在此基础上利用电路理论推导出系统传输特性与线圈互感以及负载之间的具体关系,进而得到系统传输效率的表达式。

2019年3月30日至2019年4月19日:针对双线圈、三线圈及四线圈mcr wpt系统进行建模分析,完成仿真系统设计。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 黄学良,谭林林,陈中,强浩,周亚龙,王维,曹伟杰.无线电能传输技术研究与应用综述[j].电工技术学报,2013,28(10):1-11.

[2] glaserp. power from the sun: its future[j]. science, 1968, 162(3856): 857-861.

[3] 胡大璋,周兆先.微波输送电能的新技术[j].电子科技导报,1996, (12):1-4.

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