多目标条件下的无线电能传输系统电磁环境优化策略研究

The complex electromagnetic problem brought by the development of wireless power transfer (WPT) technology has attracted a lot of public attention. The strategy to carry out multi-objective optimization of the electromagnetic environment including electromagnetic environment improvement and system working performance enhancement in WPT systems is investigated. Through theoretical analyses and experimental tests, the influence of several system parameters (electromagnetic parameters, working frequency, load characteristics, topology and static or on-road charging statuses) on electromagnetic environment is analyzed. The coupling relationship between system working performance (power rate, power transfer efficiency and transfer distance) and electromagnetic indicators is further discussed. Additionally, ferromagnetic materials, non-ferromagnetic materials, electromagnetic meta-materials and a variety of coil structures are taken into consideration to derive the rules and efficient schemes, which can be utilized to regulate and control electromagnetic field. In the last step, several factors including electromagnetic indicators, complexity of the control scheme, economic cost and system working performance are taken into account to study the multi-objective optimization strategy of electromagnetic environment. The methods of electromagnetic environment improvement for different application scenarios are finally derived. The research plays a significant role in deepening the understanding of standard at home and abroad for WPT technology working in the mainstream frequency band and contributes to the applications of the technology.

随着无线电能传输（WPT）技术的推广与应用，相关的电磁环境问题势必会引起公众的关注。综合考虑WPT系统电磁环境改善、系统工作性能优化等因素，本项目拟开展多目标条件下的系统电磁环境优化策略研究。采用理论分析与实验测试相结合的办法，分析系统电磁参数、工作频段、负载特性、拓扑结构、动静态供电模式等关键因素对电磁环境的影响规律，探讨功率等级、传输效率及距离等系统工作性能指标与电磁环境指标之间的耦合关系。分析不同位置、尺寸的铁磁性、非铁磁性、电磁超材料及不同谐振器结构对电磁环境的调控能力，总结WPT系统电磁环境调控的一般规律并形成有效的解决方案。考虑电磁环境指标、电磁场调控手段的技术复杂度、经济成本及工作性能等多种因素，研究多目标条件下的系统电磁环境优化策略，提出不同应用场合下电磁环境的改善方法。本项研究有利于进一步加深在WPT技术主流频段内对国内/际电磁环境控制限值的认识，有利于该技术的推广应用。

磁耦合谐振式无线输电技术由于其便捷性、安全性和可靠性，在人们的日常生活中具有广阔的应用前景。中距离无线输电系统由于传输距离较远，线圈耦合系数较小，导致系统传输效率较低、对外电磁辐射较大。本项目提出了利用电磁超材料来提升无线输电系统效率，并减少对外界的电磁辐射,起到电磁屏蔽的作用，有效解决了无线输电技术传输距离不够远、效率较低的缺点，并且极大改善了系统输电的电磁安全性，为中距离磁共振无线输电技术的工程实用化奠定了基础。.本报告首先针对加载电磁超材料的无线输电系统提出了电磁仿真模型，探究了加载电磁超材料的无线输电系统的频率效应特性分析，并对加载电磁超材料的位置、数量及其本征特性对于磁共振无线输电系统整体电磁环境和传输特性的影响进行了深入讨论，并利用数值分析和模拟仿真的方法提取了超材料的电磁参数；同时，提出了电磁超材料的整体设计方案和组件搭配设计方案，并对加载超材料的高频交流源进行了设计优化；再者，基于前期探究和研究，研发加载超材料的磁共振式无线输电系统部件，测试与对比分析加载超材料前后磁共振式无线输电系统的传输线圈耦合系数及其全系统电路参数；最后，分析了聚焦型超材料的无线输电效率提升效果和屏蔽型超材料的电磁屏蔽效果，并搭建了加载超材料的磁共振式无线输电系统原理样机，模拟在线监测设备无线供电的环境，分析了无线输电系统的传输功率、效率、磁场强度参数等。 .本项目以提高中距离无线输电系统传输特性为目的，通过加载两种功能的电磁超材料，利用数值分析、仿真建模等分析方法，探索了磁共振式无线输电系统线圈设计中超材料的介入方式，分析了加载超材料的无线输电系统频率精确调谐等关键技术问题，研制了加载超材料的磁共振无线输电原理样机，提供了利用两种功能型电磁超材料提高无线输电系统的距离、功率和效率技术思路，为中距离无线输系统的工程实用化提供了有力的技术支持