磁耦合谐振式无线电能传输系统优化模型研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。

无线电能传输(wirelesspowertransfer，WT)，又称为无接触式电能传输(contactlesspowertransfer，CPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输一直是人类的梦想。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家NikolaTesla展示了他的无线磷光照明灯。NikolaTesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。1968年，美国航空工程师PeterGlaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。人类向无线电能传输的梦想前进了一大步。2007年，美国麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)的MatinSoljacic教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了1盏离电源2m开外的60w灯泡，效率达到了40%。MIT的科学家首先基于耦合模理论对磁耦合谐振WPT进行系统建模，分析传输距离、工作频率、天线结构参数对传输功率和传输效率的影响，然后分析耦合谐振的非辐射能量传输特性，为提高传输效率和增大传输距离，先后提出了两种改进的谐振器结构，即中继谐振器结构和多接收负载谐振器结构。目前以MIT的研究为主导，世界各国的科学家也分别对磁耦合谐振WPT技术的建模与传输特性、发射接收天线结构、控制策略和谐振器组合结构等方面进行了研究。

2. 研究的基本内容与方案

无线传能主要采用的有三种方案：电磁波方案、微波传能、以及本论文所采用的磁耦合传能方案。

非接触式感应耦合电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感应理论与变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控制技术，实现了电能的非接触式传输。利用交流工频电源作为非接触式电源的能量供应源，可采用两相或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电源容量要求进行合理的选择。工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平稳的直流电流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向耦合变压器的原边提供高频交变电流，耦合变压器作为非接触式电源的关键部位，其原边（一级）线圈中通过的高频电流向外界辐射电磁能量并在副边线圈中产生电磁感应，在副边（二级）线圈中得到的感应电动势在通过交-直或交-直-交等变换后向用电设备提供u、i参数适合的电源，从而完成非接触式电源的整个能量传输过程。

本系统主要由发射模块和接收模块两部分组成。发射模块信号发生电路产生占空比可调的方波，经驱动电路提高其驱动能力后为功率电路提供激励信号，再通过发射线圈把能量发射出去。发射单元电路包含信号发生电路，驱动电路，发射线圈四部分；接收单元包含接收线圈，整流滤波电路以及负载组成。利用lc串联谐振的原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同的谐振频率，并在该谐振频率的电源驱动下系统可达到一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传递。

3. 研究计划与安排

1-2周查阅资料并进行方案选定

3-4周对方案进行优化

5-10周构建系统并进行试验

4. 参考文献（12篇以上）

[1]rodneye.millard,robertk.shepherd“afullyimplantablestimulatorforuseinsmalllaboratoryanimals”,journalofneurosciencemethods166(2007)168–177.

[2]h.miura,s.arai,y.kakubari,f.sato,h.matsukandt.sato,“improvementofthetranscutaneousenergytransmissionsystemutilizingferritecoredcoilsforartificialhearts,”ieeemagneticsconference,pp.547-547may.2006.

[3]k.shiba,m.nukaya,t.tsujiandk.koshiji,“analysisofcurrentdensityandspecificabsorptionrateinbiologicaltissuesurroundinganair-coretypeoftranscutaneoustransformerforanartificialheart,”ieeeembsannualinternationalconference,pp.5392-5395,aug.2006.