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目前无线电能传输是热点研究课题,有微波、激光、电场耦合和磁场耦合等不同的输电形式,频段从几千赫兹到上千兆赫兹,距离从几厘米到上万米,应用涉及民用家电、工厂及空间太阳能电站等不同领域。本文将供电线圈和受电线圈的数量、空间位置分布、电能传输路径等因素归纳为统一的电磁问题,建立高频电磁模型。研究实际环境中无线能量传递转化的规律,为解决最大能效传输、各受电端可靠接收能量等问题提供理论和实践基础。 本文通过无线电能传输原理分析,对常用传输结构作了比较;基于电磁波近场传输非辐射性、中距离传输的特点,提出高低频适用的场与路耦合的电磁模型;对脉冲方波的传输和驱动特点做了分析和研究;对多负载分组的磁谐振耦合无线电能传输作了理论分析、仿真模拟和实验验证。从激励源到负载端都给出了实用的解决方案。具体内容如下: 1、对目前常用的2线圈和4线圈传输模型进行对比,用电路理论分析了两种传输结构的共同点与不同点。 对于无线电能传输中广泛使用的螺旋管线圈,通过其时谐交流场的方程,导出线圈感应电压和线圈间互感的表达式。通过空间变换得到错位线圈的感应电压表达式,并通过实验验证了同轴、平移和倾斜三种情况下的线圈开路电压,讨论了三种情况下场分布的特点。 通过螺旋管线圈的交流场方程结合外部电路元件的约束,建立了无线电能传输输入输出变量的场路耦合方程,通过2线圈和4线圈实验验证了方程的合理性。方程将线圈结构和尺寸统一考虑,能够直接得到输入输出变量随线圈间距变化的频域特性和线圈匝数半径变化对传输的影响及空间场的分布情况,便于系统设计和分析。 2、针对无线电能传输所需的高频激励源,分别讨论了E类功放和桥式电路两种拓扑结构。分析了多源发射的特点,论证了脉冲方波传输的机理。使用低频脉冲控制高频谐振线圈,通过实验比较了不同频率和脉宽的方波激励的传输效果。研究了用采样脉冲控制逆变电源开关管的方法。提出一种使用高频变压器进行阻抗匹配的方法,用以改善无线电能传输效果。 3、针对多负载电阻模型,分别讨论了2线圈、3线圈和4线圈结构下的传输特性,分析了各密绕线圈不同开闭情况下负载被旁路和开路时的传输效果。通过实验验证了分组传输的特点,提出一种根据传输特性对分组式负载进行控制的方法,用场路耦合联合仿真模拟了综合控制的效果。并提出了电池包分组充电的新充电模式。 最后对所做工作做了总结,对未来进一步的工作做了展望。