区域覆盖的磁耦合谐振式无线电能传输网络的关键问题研究

There are some deficiencies for the traditional two coils or four coils magnetic coupling resonant wireless power transfer system, such as short transmission distance and incapability of area-covering charging. In order to overcome these shortcomings, the mathematic model and the applications of the wireless power transfer networks (WPTN) constructed by multi-sources and multi-repeaters to cover multi-loads in certain regions is studied in the research. The main contents in the research are listed as the following. (1) Establishing and simplifying the mathematic model of the WPTN consisted of multi-loads, multi-sources and multi-repeaters. (2) The sensitive and dependence of the transmission efficiency, load pick-up power and transferred distance to the parameters such as the resonance frequency, the inductive coupling coefficients, inductances of the coils, the compensation capacitances, the numbers and the positions of the sources, loads and repeaters is studied to explore the mathematical regularities within them and the compensation technologies. (3) Researching the interaction between the WPTN and the electromagnetic mediums over the surrounding environment and exploring the novel frameworks of WPTN covering certain regions and their designing criteria. (4) The control theory of dynamic adjusting WPTN due to the variations of the external charging circumstances. Therefore, this project is of important theoretical significance for the study on the mathematical model and practical significance for the design, planning and optimization of WPTN.

本项目旨在克服传统的双线圈或四线圈磁耦合谐振无线电能传输系统传输距离短，不能作区域覆盖式充电的弊端，结合电磁场、天线以及电路理论，研究由多个电源和多个中继器组成的能覆盖一定区域内多个充电负载的无线电能传输网络的数学模型以及其应用。项目研究内容包括：建立和简化包含多个电源、负载和中继器在内的无线电能传输网络的数学模型；探寻传输效率、负载拾取功率和传输距离对电源、负载及中继器的数目和位置、频率、电感耦合系数、线圈电感、补偿电容等参数的敏感性和依赖性，深入探索其中的数学规律及参数补偿技术；研究其与周围环境各种电磁媒质的相互作用，探寻适合区域覆盖的无线电能传输网络的新型结构和设计准则；研究根据外部充电环境变化动态调整无线电能传输网络的控制方法。此项目不仅对包含多个电源、负载和中继器在内的无线充电网络的数学模型研究具有重要的基础性意义，对无线充电网络的设计、规划和优化也具有广泛的工程实践与应用价值。

磁谐振耦合式无线电能传输技术是一种近年来广受众人青睐的，具有安全、绿色、高效等优点的中程电能传输新技术，它利用谐振原理使其在线圈直径几倍距离上仍能获得较高的传输效率和较大的输出功率。具有电磁辐射小、对人体无危害、可穿透非磁性障碍物等优点。将多源、多负载、多中继器等特征相融合，并加以控制和管理，既能同时对不同位置的多个负载进行输电，又能显著提高传输距离，扩大充电的有效空间覆盖范围，构成可覆盖一定区域范围如家庭住房、厂房、商场等场所的无线电能传输网络，这将是未来无线电能传输的一个重要发展方向。. 项目组利用电路理论，对具有多源、多中继器和多负载特征的无线电能传输系统进行了数学建模，得到了系统效率和接收功率的数学表达式。从单发射单中继多负载，单发射多中继多负载等几种较简单类型入手，提出了几种可以应用于实际的网络构型，如树网和链网，并通过理论分析、电路仿真和实验测试加以验证。在这些构型的基础上，项目组研究了接收机所在位置、充电的接收机的数目、以及发射机和接收机线圈之间的交叉耦合等参数对系统性能的具体影响。为了使各接收机负载充电时不受其它接收机和交叉耦合的干扰，我们提出了负载隔离技术；结合区域均匀磁场和平面均匀磁场技术，可以使多接收机WPT应用中的各个接收机只要位于充电区域中，就能依据自身的额定功率和额定电压独立地充电。在此基础上，结合实际应用进一步提出了几种可应用于家庭、办公室、厂房等环境给多种小型电器进行无线充电的发明创造，包括可以和家具柜共形的具有匀强磁场特性的多负载无线充电平台，可以和地板或桌面共形的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，能防水防尘的多节组合非接触式安全插座和插头等，这些发明都已授权或公开，未来五年内有望得到应用。. 项目实施期间，项目组共发表论文9篇，其中SCIE期刊论文7篇（包括2篇中科院2区期刊论文），EI期刊论文1篇；申请中国发明专利10项，授权6项。