谐振式无线电能传输系统的动态耦合技术研究

Magnetic coupling structure and resonant compensation are critical parts of magnetically coupled resonance wireless power transfer (WPT) system. The present magnetic coupling structure, which lacks the ability to adjust the magnetic field distribution and inductance parameter dynamically, cannot realize optimal power transmission under different operation conditions. There are also some drawbacks with the present magnetic coupling structure, such as low position tolerance, low coupling coefficient, large magnetic field leakage and high loss. A new kind of magnetic coupling structure with dynamic adjustment function is proposed and researched in this project. It can dynamically adjust the magnetic field distribution generated by transmitting coil according to the position and quantity of receiving coils, and make the mutual inductance resettable. The dynamic adjustment achieves lower filed leakage, higher coupling coefficient and lower loss. In view of the drawbacks of the present adjustable resonant compensation network, which depends on complex methods with lower stability and higher loss. By the passive adjustment of inductance parameter, the new magnetic coupling structure can adjust the impedance characteristic according to different operation conditions and achieve optimal power transmission. The research of this project focuses on the dynamic adjustment technology of magnetic coupling structure, including its theory, design and verification. New methods are developed to accurately analyze the coupling characteristics and high-frequency losses of complex magnetic coupling structure. The theories and methods proposed are verified through experiments. The research results will advance theory development and application of resonance wireless power transfer.

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中，磁耦合结构及其谐振补偿网络是系统的核心关键。针对现有的磁耦合结构由于缺乏动态调整磁场分布及感量参数的能力，无法在不同工况下实现电能的最优化传输，且存在位置偏移容差小、耦合系数低、磁场泄漏范围大、损耗高等问题。提出并研究具有自适应调整能力的磁耦合结构，可根据接收线圈所在位置与数量，动态调整发射线圈磁场，从而实现互感的动态调节，并降低磁场泄漏范围、提高耦合系数、减少损耗。针对目前可调参数谐振补偿网络存在的参数调整方案复杂、可靠性低、损耗大等问题。采用无源方式实时调整磁耦合结构的感量，根据工况的变化进行系统阻抗特性的动态调节，使得电能的传输最优化。项目重点研究磁耦合结构及其动态调整技术的理论、设计与优化，通过新方法实现复杂磁耦合结构的耦合特性、高频损耗的精确分析。所提出的理论与方法准确性通过实验进行验证。研究成果将推进谐振式无线电能传输技术的理论发展与应用推广。

磁耦合谐振式无线电能传输（WPT）技术具有高可靠、高绝缘、环境适应性强等优点。该技术具有广阔的应用前景，如移动终端、无人机、电动汽车、工业机器人等的无线电能传输(及充电)。实现位置偏移、负载变化等条件下的高效率、增益稳定的电能传输是WPT技术的研究重点与难点。本项目围绕WPT系统的高频变换器、磁耦合结构及其谐振补偿网络、损耗建模等方面进行了研究与改进。.在兆赫兹高频变换器方面，分析了E类软开关逆变器的工作原理，改进了其设计方法。使得E类逆变器在负载变化条件下不仅维持了零电压开通，并使得开关电压峰值及电压增益波动均有所降低；研究、分析并对比了具有磁集成耦合/解耦电感的推挽式E类逆变拓扑。通过对该拓扑进行完整的电路分析，建立了推挽式E类逆变器的设计与优化模型。.在磁耦合结构的动态耦合技术方面，提出了一种新的四线圈WPT系统耦合调整方法。在耦合线圈间设置辅助线圈实现耦合系数等效调整的方法，从而提高系统在不同传输距离下的传输效率及输出功率。该方法具有损耗小、调整范围大等优点；对具有恒定互感的磁耦合结构设计进行了改进，建立了新的分析模型和设计方法。获得了具有恒定互感耦合线圈的参数设计约束条件；提出了一种无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整方法，通过调整发射线圈内的电流，实现发射线圈磁场强度与范围随接收线圈位置进行动态调整。.在磁耦合结构及变换器磁元件的损耗建模方面，提出了一种可直接测量磁元件绕组损耗的方法；分析了用于6.78兆赫兹E类逆变器的空心电感的感量、高频涡流损耗解析计算方法，修正了其邻近效应损耗计算误差；分析了低频和 PWM 波复合励磁工况下磁芯损耗的特点，提出了一种可独立控制低频和高频磁通密度分量，并能获得两种分量磁芯损耗的测量方案。.成果包括撰写了论文13篇，授权国家发明专利1项、实用新型专利3项，申请发明专利4项。直接培养硕士生2名。项目成果促进了WPT技术的理论发展与实际应用。