【摘要】：無線能量傳輸是通過電磁能或電磁波實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)募夹g(shù)。它具有安全性好,可靠性高,維護成本低和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。近年來,伴隨著電子器件、測量控制、功率轉(zhuǎn)換等技術(shù)的不斷更新,無線能量傳輸技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。醫(yī)療、交通、生活、軍事、電力等越來越多的領(lǐng)域都出現(xiàn)了無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用實例。不同的應(yīng)用領(lǐng)域也對無線能量傳能技術(shù)提出了更高、更明確的要求。磁共振式無線能量傳輸是基于磁耦合共振原理的一種無線能量傳輸模式,它利用非輻射的磁場耦合實現(xiàn)能量傳輸,在兩倍共振線圈直徑的傳輸距離下傳輸效率可高達80%。傳輸中收發(fā)端無需精確對準,傳輸具有良好的穿透性。論文圍繞磁共振式無線能量傳輸,在基于傳輸節(jié)點的系統(tǒng)建模基礎(chǔ)上,對磁共振系統(tǒng)的小型化設(shè)計、穩(wěn)定性控制、復(fù)用性設(shè)計等方面展開研究,旨在推動無線能量傳輸向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。首先,論文將傳輸中的諧振單元定義為傳輸節(jié)點;根據(jù)節(jié)點端口的有源和無源特性,將傳能系統(tǒng)劃分為單有源單無源、單有源多無源、多有源單無源和多有源多無源四大類,將不同應(yīng)用場景、不同實現(xiàn)方式的無線能量傳輸系統(tǒng)進行歸類;建立各類系統(tǒng)基于傳輸節(jié)點的等效模型,將系統(tǒng)中各種諧振單元及單元之間繁雜的耦合關(guān)系,簡化為明確的電路結(jié)構(gòu)和元件關(guān)系,簡化系統(tǒng)分析的復(fù)雜度,提高設(shè)計的便易性。雖然論文主要研究的是磁共振無線能量傳輸,但此分類方式同樣也適用于其他各類無線能量傳輸?shù)姆诸悺＝又?在等效模型的基礎(chǔ)上,論文研究了小尺寸單有源單無源系統(tǒng)在封閉介質(zhì)環(huán)境中的能量傳輸;對系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率失諧現(xiàn)象進行分析,提出基于節(jié)點物理結(jié)構(gòu)控制的頻率跟蹤技術(shù),增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性;并對節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提高系統(tǒng)傳輸效率,為小尺寸高頻段磁共振無線能量傳輸在醫(yī)療植入設(shè)備中的應(yīng)用提供參考。然后,論文提出兩種單有源多無源無線能量傳輸結(jié)構(gòu),分別改善頻率分裂和提高傳輸帶寬,增強傳能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和復(fù)用性。針對單有源單無源系統(tǒng)頻率分裂時諧振頻點處傳輸效率急劇下降現(xiàn)象,論文提出含平行輔助節(jié)點的單有源多無源結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方案,在不改變原節(jié)點結(jié)構(gòu)和傳輸距離的情況下,提高頻率分裂時的系統(tǒng)傳輸效率。考慮到信息能量同傳對傳輸系統(tǒng)的帶寬需求與單有源單無源系統(tǒng)窄帶傳輸之間的沖突,論文提出基于耦合濾波器理論的含中繼的單有源多無源結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,通過數(shù)值擬合和數(shù)值計算實現(xiàn)中繼節(jié)點的優(yōu)化架構(gòu),在提高系統(tǒng)傳輸效率的同時,改善傳輸帶寬,提高信息傳輸?shù)乃俾�。而�?論文對雙頻節(jié)點結(jié)構(gòu)進行研究,以簡化多有源多無源能量傳輸?shù)脑O(shè)計。為了兼容不同傳能標準,或者為了滿足高接收功率的需求,系統(tǒng)常常需要進行多頻段同時傳輸能量。采用具有兩個或兩個以上的諧振頻點的多頻節(jié)點實現(xiàn)多頻段傳輸,可減少傳輸節(jié)點數(shù)目,降低傳輸節(jié)點體積,簡化實現(xiàn)。論文從等效諧振電路角度探討了多頻節(jié)點的設(shè)計和阻抗匹配的實現(xiàn),提出了L型、層疊型和平面緊湊型雙頻節(jié)點的設(shè)計方法,對節(jié)點的雙頻傳輸性能進行分析,并將其與現(xiàn)有傳能標準(A4WP,Alliance for Wireless Power)設(shè)備和近距離無線通訊(Near Field Communication,NFC)設(shè)備進行信息能量同傳,為系統(tǒng)信能同傳的一體化設(shè)計提供了一種簡便、有效的實現(xiàn)。最后,論文對完成的工作及取得的研究成果進行總結(jié),指出了研究的不足以及未來的探索方向。
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92;O482.531
【圖文】：

量傳輸技術(shù)概述無線能量傳輸?shù)奶岢雠c發(fā)展 Marin Soljacic 和其研究團隊利用磁共振的方式，使用兩個旋線圈，成功點亮了在 2 米之外一個 60W 的燈泡（如圖技術(shù)。該團隊為這項技術(shù)命名為“WiTricity（WirelessEle技術(shù)。在其發(fā)表的文獻[2]中，作者建立了基于耦合模理論方法，從理論上探究了磁共振式無線能量傳輸技術(shù)的近后的幾年內(nèi)，磁共振式無線能量傳輸技術(shù)成為了各大研

圖 1.2 帶中繼的無尾電視[33]美國斯坦福大學(xué)研究小組對深組織微植入式能量傳輸進行研究[34]，提近場，實現(xiàn)微小尺寸（mm 級）深組織（>5cm）下毫瓦級能量的安全和工作場景如圖 1.3 所示。圖 1.3 微型植入式心臟起搏器[34]京大學(xué)研究團隊對螺旋線圈開路、短路、串聯(lián)電容和并聯(lián)電容時的傳用高階自諧振短路線圈實現(xiàn)了 85kHz 與 6.78MHz 的雙頻線圈設(shè)計[3

垂直中繼的磁共振能量傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn) 150 瓦 47 寸無尾 LED 電視的無線供電，如圖 1.2所示。整機傳輸效率達 80%。圖 1.2 帶中繼的無尾電視[33]2014 年美國斯坦福大學(xué)研究小組對深組織微植入式能量傳輸進行研究[34]，提出使用特制金屬板控制近場，實現(xiàn)微小尺寸（mm 級）深組織（>5cm）下毫瓦級能量的安全無線傳輸，其植入部分和工作場景如圖 1.3 所示。

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本文編號：2771557