无线电能传输(WPT,Wireless Power Transfer)技术是利用电磁场传递电能的一种新兴技术,负载可以实现以无线非接触的方式从电源输出端获得电能。WPT技术综合了电磁场理论、射频技术、电力电子技术和控制工程等多门学科和理论,是目前电气工程领域最热门的研究课题之一,也是基础科学和实际应用研究与一体的前沿方向,具有广阔的应用和发展前景。由于WPT技术可以解决车载设备接线凌乱、带电拔插和电源线短路等问题,并且具有安全、方便和可靠等特点,在车载设备领域WPT技术引起极大重视并得到实际应用。车载设备的WPT系统具有自己的特点,例如由于采用车载电源供电,输入电压较低,通常为12V或者24V;车载设备种类较多需要满足不同设备的功率需求;车载设备由于车辆的颠簸等容易造成线圈之间距离和位置变化,造成系统传输性能下降。WPT系统中由于原/副边线圈的耦合系数较低,通常通过原/副边保持同一谐振频率的方法来提高系统的传输效率或者负载功率。传统的WPT系统建模方法由于电气参数和元器件较多,建模会生成多变量高阶微分方程或者高阶矩阵方程,方程中的任意参数的轻微变化都可能造成WPT系统输出产生明显变化。由于WPT系统是高阶非线性系统,待确定的参数比较多,各种参数变化容易造成WPT系统传输性能低下或者传输效率、负载功率波动。针对上述问题,本文利用二端口网络和功率波理论对WPT系统建模,基于WPT系统功率波的入射与反射情况建立功率流模型;并通过功率流模型来优化系统参数与分析拓扑结构。将上述的建模和分析方法应用到车载设备无线传能装置,以解决目前车载设备的WPT装置传输效率较低和负载功率低等实际应用问题。论文的主要工作及创新点如下:(1)针对WPT系统传统方法建模复杂与求解难等问题,本文利用二端口网络和功率波理论分析关键节点功率波的反射与入射情况,从而建立功率流模型;并根据阻抗匹配与功率流模型,优化WPT系统的传输效率和负载功率。相对于传统建模方法,二端口网络和功率波理论方法简化了WPT系统的建模与计算过程。功率流模型揭示了WPT系统在无线电能传输过程中功率传递、消散和损耗等情况。研究和实验结果表明,上述研究方法不仅适用于车载设备的WPT系统的分析与优化,同样也适用于通用的WPT系统的建模与分析。(2)针对车载设备的高频小功率WPT系统源阻抗为50Ω的情况,本文遵循最大功率传输原则对WPT系统进行了建模与分析。提出了采用最小损耗模式进行系统参数优化,避免了当负载变化时全匹配模式会引入阻抗匹配网络造成的系统损耗等问题。对上述两种模式进行了对比研究,两种模式均能达到理想的传输性能,并有各自的适用范围。(3)多谐振线圈WPT系统等效二端口网络满足全匹配条件时可以实现系统中距离的高效功率传输。本文提出通过适当调节输入线圈与原边谐振线圈、副边谐振线圈与输入线圈之间距离和小幅度调节谐振频率来满足多谐振线圈WPT系统全匹配的条件,从而保证实现高负载功率。(4)由于车载设备的低频大功率WPT系统阻抗较低,系统设计需遵循最大传输效率原则的特点。本文利用功率波理论和关键节点的阻抗匹配进行分析,并得到系统功率流模型。从功率流模型得到了负载与二端口网络输出端口满足无反射匹配时系统传输效率最高;而二端口网络输入端口匹配情况决定着输入二端口网络的有功功率,并最终影响负载功率的结论。提出了采用TSST拓扑结构有效解决车载设备WPT系统传输效率过低、负载功率过小和功率调节问题。最后根据二端口网络和功率波理论分析了单中继WPT系统输入线圈、中继线圈和输出线圈之间耦合系数、负载和系统传输效率、负载功率之间的关系。