谐振式无线电能传输磁耦合系统关键技术研究

Magnetic coupling system is a critical portion in resonant wireless power transmission system (WPT). Currently, magnetic coupling system generally had shortages such as lower coupling coefficient, poor transfer efficiency and poor robust behaviors for the displacement of winding locations, poor utilization of magnetic energy, severe electromagnetic radiation and especially lacking of effective evaluation parameters and design guideline in theory to guide the magnetic coupling system design. These problems had become a bottle neck to limit the theory further progress and wide applications of the resonant WPT. This project will focus on the research of magnetic coupling system based on the special requirement of the resonant WPT system to analyze the so many factors and their complex mutual influences and their interface behaviors to the impedance match network circuits, to develop new coupling construction principle and the loss and volume optimization algorithms with higher utilization of magnetic energy, low magnetic field radiation leakage, less winding location offset sensitiveness, low losses and small volume. Meanwhile, the effective evaluate parameter of the magnetic coupling system will be proposed to evaluate the relationship between the power transmission and the power loss of the magnetic coupling system and their influence to the impedance match networks, which will be helpful for the guidance for the magnetic coupling system design optimization. The model of the system and the design methods will be then proposed and verified by the experimental platform of a wireless charging system with free locations of multi receivers on desktop. The research result will provide us the new ideas and solutions for magnetic coupling system, as well as the mechanism, model and design application guidance.

磁耦合系统是谐振式无线电能传输系统的关键组成部分。现有的磁耦合系统的耦合系数低、效率差、耦合系数对位置偏移的鲁棒性弱、磁场能量利用率低、电磁泄露严重，尤其是缺乏有效的性能评价参数和设计原则从理论上来分析和指导磁耦合系统的设计，严重影响了无线电能传输系统的理论发展和广泛应用。本项目从无线电能传输系统的特殊要求出发研究磁耦合系统，系统分析影响磁耦合系统性能的众多因素间的关联性及其与匹配网络以及负载的关系，提出新型磁耦合结构的构成原理及损耗、体积的优化设计方法，使其同时兼具耦合系数高、磁场利用率高、磁场泄露小、偏移敏感度低、损耗及体积重量小的特点。同时提出磁耦合系统的有效评价参数，能有效地表征其能量传输特性、自身损耗以及与匹配网络的关系。建立磁系统模型和提出设计方法，并通过桌面型任意位置多接收器无线感应充电应用平台验证。研究成果将为解决磁耦合系统问题提供新的思路和方案及机理、模型和设计应用指导。

高频激励源、谐振补偿网络和磁耦合系统作为谐振式无线电能传输系统的关键组成部分，对无线电能传输系统的性能起着至关重要的作用。.在高频激励源方面，分析了并联电容E 类逆变器的工作原理，提出了其在WPT 系统中的锁相控制方法；为了提高E类逆变器的容量和参数容差能力，提出了一种具有双路（或偶数路）E 类逆变器功率合成输出的WPT 系统拓扑。该拓扑增加了系统的容量、提高了谐振参数容差能力和系统效率。.在谐振补偿网络方面，采用的T/S型谐振补偿网络，通过二端口A参数的分析与推导，获得了T型补偿网络结构的阻抗特点，从而获得新型谐振补偿网络的拓扑形式。该补偿网络具有电压增益负载无关性；为了使同一磁耦合系统通过补偿网络参数的设计获得不同的输出特性，基于变压器T网络模型的多解性提出了可变恒压/恒流输出特性的谐振补偿结构，理论上可以获得任意的恒压/恒流输出；为了解决双补偿或多补偿环节无法同时谐振的问题，提出了一种单侧补偿的可变恒流输出补偿网络结构。.在磁耦合系统方面，首先对于螺旋形线圈结构进行分析，提出将螺旋形平面发射线圈的导体排布问题转化为数学模型的参数寻优问题，并利用自适应遗传算法对所建立的线圈模型进行优化。该优化设计方法使得发射线圈在充电平面上产生的轴向磁场均匀分布；为了解决磁耦合系统的磁场泄露问题，提出了一种新型的平面型磁耦合结构。平面型发射线圈结构可在其表面获得均匀的磁场强度且磁场泄露小，接收线圈采用多绕组线圈结构，可以拾取空间中任意方向的磁场能量，提高了空间的磁能的利用率；为了实现多负载在空间多自由度任意充电，采用了一种三维正交的发射线圈结构，通过控制三维线圈上的电流的大小、相位、频率等参数实现接收线圈在空间多自由度下的无线电能传输。.成果包括撰写了论文10篇，授权国家发明专利1项，申请发明专利6项。直接培养博士生1名，硕士生3名。研究生果得到了国内外知名企业的重视和技术开发应用。.