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无线电能传输在嵌入式医学、人体内部检测、射频识别、移动设备充电等方面具有广阔的应用前景。磁耦合谐振式无线电能传输是一种利用线圈间高频耦合谐振磁场实现能量无线传输的新兴技术。由于其原理上展现出的中距离高效能量传输的可能性,成为无线电能传输领域的研究热点之一。 目前该技术在传输距离、效率和功率等方面还不能够满足实用化所提出的要求,仍存在一些问题有待于研究。其理论研究主要采用耦合模理论和集中参数电路模型的分析方法,对耦合体的动态过程、系统内部能量分布规律的研究还不够深入。另外由于工作频率高于电力电子器件的一般使用频率,磁耦合线圈的耦合系数较小并且处于谐振状态,存在着功率器件难以满足要求、系统损耗较大、效率较低等问题。针对以上问题,本文从机理与模型、谐振线圈组、磁场驱动源、系统设计等方面展开研究,主要的研究内容如下: 首先从稳态分析角度,建立集中参数磁耦合电路模型,并采用阻抗归算方法建立耦合系统的能量传输模型和分析方法,研究稳态谐振条件下多耦合能量传输系统的内部能量分配规律及损耗特性。从系统的暂态过程分析角度,提出将无线电能传输与时域振动理论相结合的方法来分析双自由度非保守系统的共振过程。建立广义振动理论为基础的耦合振动能量传输模型,研究动态条件下的能量传递规律;并进一步提出基于高品质因数弱耦合系统的高效率分频激励能量传输方式。从稳态与动态模型角度,建立了系统输出指标距离、功率、效率等与发送与接收电路参数间的关系。为磁耦合无线电能传输系统的分析与设计奠定了理论基础。 为了设计和优化磁耦合谐振线圈组并建立系统设计方法,在采用阻抗归算方法建立内部损耗及能量传递模型的基础上,研究了高频条件下磁耦合输能线圈的模型。着重分析线圈的电学参数、频率特性、参数计算和损耗特性与能量传输的关联与约束,建立起线圈结构与电学参数之间的数学联系。以此提出了基于能量分布优化的多线圈系统设计方法,并给出优化指标、约束条件和设计过程。通过设计实验平台及无尾显示器无线供电装置的磁耦合线圈组,验证了该方法的可行性。 根据对驱动源的技术需求,本文首先研究单管谐振驱动源的工作特性并分析其自由振荡阶段的规律,结合分频激励能量传递方式对驱动源的要求,实现单管驱动下的分频激励能量传输工作方式。实验证明该驱动源可以实现分频激励能量传输方式,激励频率仅为谐振频率的一半或者更低,能够降低驱动源的损耗和提高系统的总传输效率。 电能与信息的双向传输是磁耦合谐振式无线电能传输的一个重要发展方向。针对这个研究问题,本文提出一种可实现电能-信息双向传送的紧凑型电路结构,该结构中唯一的接收侧谐振线圈同时承担电能和信息的双向传送。还给出了不同工作模式下的控制方法和编码方式,并对运行过程、损耗等内容进行了分析。仿真和实验证明,该电路既可以作为接收电路接收能量和信息,还可以利用耦合谐振磁场发送信息;通过分时复用方法和控制谐振频率的偏移,还能够避免双向传输过程中线圈间的干扰。 最后,为了验证磁耦合线圈组的设计结果,建立了一个实验平台,分析了线圈距离等参数对系统指标的影响;并在实验平台研究的基础上,出于实现向普通用电设备提供电能的目的,设计和试制了基于平面线圈组的供电装置。该装置包括耦合线圈组、驱动源和专为用电器适配的能量接收装置。最终试验结果表明,所设计的实验平台在距离83cm条件下达到了效率为60.1％、633W的传输功率;供电装置能够实现普通市电显示器的无线供电,证明所采用的系统结构和设计方法合理、有效,具有一定的实用性。 本文通过对磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究,在工作方式、线圈设计和驱动源的等方面改善和提高了无线电能传输系统的指标和功能,为进一步推进该技术的发展提供了理论依据和实践参考。