基于磁共振的多负载中距离无线能量传输机制研究

本项目研究基于磁共振的多负载中距离无线能量传输机制并建立原型系统。主要包括共振频率的选择策略和分叉现象、接收线圈相对发射线圈的方位角和仰角、线圈之间的距离等与传输距离和传输效率之间的相互关系；探讨驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈采用不同结构，包括传统螺旋线圈结构（单圈圆形线圈、多圈圆形螺旋线圈、平面圆形螺旋线圈和层叠圆形线圈）和新型电小天线结构（折叠螺旋球和折叠螺旋圆柱）对传输距离和效率的影响，针对多负载情况提出四个线圈的最佳结构和组合；针对传输距离最远或传输效率最大等特定情况总结出设计准则，建立等效电路模型，并依据其建立原型系统。本项目将驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈这四个线圈作为一个整体，运用电小天线理论、电磁场理论和电路理论，针对多负载情况进行分析，提出共振频率的选择策略。本项目的研究成果将为利用基于磁共振的中距离无线能量传输技术同时为多个负载供电的系统设计提供依据。

基于磁共振的中距离无线能量传输技术，是现在能量传输领域的研究热点，具有极大的理论价值和应用意义。本项目针对基于磁共振的中距离多负载无线能量传输系统进行研究，建立了电路模型、电磁仿真模型和二端口网络模型，研究了其工作机制，包括输入功率、线圈半径、频率分裂、发射模块和接收模块非轴对称对系统性能的影响。针对发射模块参数不变，研究了接收模块线圈半径、线径、线圈匝数和线圈长度变化对系统性能的影响，并提出优化措施。研究表明，线圈半径的变化对系统传输效率的影响最大。研究了当接收模块线圈分别为等面积的螺旋线圈、平面螺旋线圈、方形螺旋线圈时，传输效率螺旋线圈>平面螺旋线圈>方形螺旋线圈。研究了不同线圈结构（螺旋线圈、平面螺旋线圈和方形螺旋线圈）对系统性能的影响，并提出优化措施。研究发现，在最优负载的情况下，效率：螺旋>方形螺旋>平面螺旋；当距离增大时，螺旋线圈衰减更快。研究了线圈间距对系统性能的影响。研究发现，根据线圈间距不同，基于磁共振的中距离无线能量传输系统将工作于过耦合、强耦合和欠耦合三种状态。接收线圈和负载线圈之间的距离d34对效率的影响最大。D12和d23距离增大时，效率依然很高，但是d23的变化会导致共振频率的变化。并针对最大传输效率和最大传输距离，提出了优化策略。研究了障碍物的尺寸、障碍物与线圈距离、线圈被介质密封这三种情况下对系统性能的影响，障碍物边长、厚度和密封对效率和共振频率的影响:铜 > 海水> 土壤,玻璃和ABS树脂对效率和共振频率几乎没有影响，并提出优化措施。研究了两个负载的基于磁共振的中距离无线能量传输系统，并提出优化措施。如果其中一个负载线圈与发射模块线圈非轴对称，则共振频率会发生偏移，两个负载的传输效率无法同时达到最大，但是系统的总效率几乎不变。如果两个负载线圈平行，则两个负载同时达到最大效率。设计了一种新型的线圈结构，能同时给四个相邻成90度角的负载同时无线供电，且效率较高。设计完成了基于磁共振的中距离无线能量传输原型系统。验证了该系统同时给5个负载供电的情况。设计并实现了同时给四个负载供电的多负载无线能量传输系统；实现了基于磁共振的无线能量/数据协同传输验证实验。本项目发表论文13篇，其中SCI5篇，EI8篇。获得发明专利授权4项，申请发明专利1项。参加国际学术会议4人次，到美国佛罗里达大学交流访问1人次。培养博士生2人，硕士生11人。