- 文献综述(或调研报告):
无线能量传输技术是一项热门的受国内外研究员广泛关注的一项技术,它旨在改变现有的传统的通过输电线输送和传递电能的方式,继而实现电能的高效率、远距离、大功率无线传输,而其中磁谐振耦合式无线能量传输方式具有传输距离适中、传输效率高、传输功率大、穿透性、无辐射性以及对线圈错位不敏感等优势近年来更是受到高度关注。
传统的电能传输方式大多通过导线或插座将电能传输到终端产品,这种传输方式会带来摩擦,易产生电火花等问题,从而影响电气设备的安全可靠性。而无线电能传输技术[1][2]能使我们摆脱传统的电能传输方式,通过电磁感应、高频振荡、电磁共振、微波等多种形式实现非接触式的新型电能传输。文献[1、2]简述了无线电能传输技术在国内外的研究现状,详细叙述了现有理论框架下的四种无线电能传输技术,并比较了四种技术的特点和应用领域;且阐述了新型无线电能传输技术的应用技术领域。无线能量传输伴随着科学技术的不断发展,越来越成为相关领域科研人员研究的重点,在一些特殊的应用中,无线电能传输技术具有较强的优势。
作为一种中等距离无线电能传输技术,自从美国麻省理工学院于2007年发表其研究成果后,电磁耦合谐振式无线电能传输技术[3]就成为了研究热点问题。文献[4]在对无线电能传输技术进行总体介绍的基础上,主要对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行概括论述。该文献首先分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本结构和工作原理,介绍了目前运用于分析该技术的主要理论;接着对该技术目前的传输水平和热点问题进行了分类阐释,主要分为传输特性、新材料的应用、干扰问题和实际应用,介绍了目前的研究现状;最后在当前研究热点问题的基础之上,对该技术有待研究的问题以及发展趋势进行了展望。
文献[5]通过对空间两空心线圈的互感耦合理论和等效电路的分析,推导出了无线电能传输的传输功率、传输效率与线圈谐振频率、耦合系数之间的相互关系,并利用电压调节及频率跟踪控制策略,对发射端电源进行了控制,进而提出了基于磁耦合谐振式无线电能传输系统。文献[6]基于无线电能传输系统基本结构及磁谐振电能传输状态,对空间磁场的时空特性进行了较深入的研究。在毕奥-萨伐尔定律建立的单线圈磁场的基础上,获得收、发线圈在空间产生的合成磁场解析表达式,由此推导出磁场强度矢量的极化公式。讨论了三种极化形式的形成原因与条件,提出了线极化是系统的固有极化,揭示了磁场极化具有空间分布的特殊性质。将分量幅值比、分量相位差、椭圆轴比作为分析空间磁场的极化参数,通过编程求解得到螺线管线圈系统的椭圆轴比的子午面分布图,发现磁谐振传输系统磁场存在一个线极化的碟形曲面。在此基础上,研究了平面螺旋线圈系统的磁场轴比分布特性。最后通过仿真和实验验证了磁谐振传输系统磁场时空特性解析分析过程与结论的正确性。
文献[7]利用MATLAB仿真软件仿真分析功率分布与系统结构以及线圈参数的关系,得出了两线圈系统模型中最优结构模型,并仿真得出了定电感线圈减小线圈匝数,增大线圈半径有利于传输距离提高的结论。然后利用ANSYS有限元仿真软件,定量分析了磁耦合共振式无线电能传输系统两线圈、三线圈以及四线圈之间的耦合磁场,获得了磁感应强度的空间分布图,并针对不同结构模型系统的特性进行了比较研究,通过使用中继线圈增强了磁场的物理特性,提高了系统传输距离,揭示了不同位置的中继线圈对系统耦合场的影响机理。该文献从理论分析、仿真计算、实验验证等方面,对电磁耦合共振式无线电能传输系统的传输距离、传输功率和系统模型的结构优化设计等方面进行了全面分析,为电源模块的开发提供了重要的参考数据。
而对于磁耦合谐振式无线能量传输中的几个问题(距离、功率、频率、效率问题):文献[8]基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。该文献首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。
文献[9]基于耦合模理论研究了电能无线传输的规律和有效传输的必要条件以及利用互感理论分析了电能无线传输的基本特性。其次为了提高电能传输的功率,提出了大功率无线电能传输方法。最后设计实验电路进行相关的实验研究。该文献主要做了:(1)基于耦合模理论建立了振荡系统的传输模型和数学方程,对无损、有损振荡系统分别建立方程并求解,由其简正模的分析得到能量有效交换和传输的必要条件。(2)利用耦合模方程并综合考虑阻抗损耗和辐射损耗情况下得出系统的传输效率方程,由效率方程的表达式进一步推导工作效率和损耗效率与系统参数的关系。建立了多用户和带中继线圈的无线电能传输耦合模方程,通过拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换解出方程得到其简正模。(3)作为耦合模理论的补充和延伸,建立了利用互感理论分析无线电能传输技术的基本特性的方法。对无线电能传输系统进行等效得出其电路模型和简化电路,给出简化电路的方程式,解出该方程式得到负载侧的归一化电压表达式和其频率响应特性,即频率分裂特性和分裂规律。(4)根据在一定范围内接收电压最大值不随耦合因数的减小而降低的特性,定义了有效传输范围的概念。结合距离或方向与耦合因数的关系,进一步推导得出了无线电能传输的距离特性和方向特性,即虽然距离和方向发生改变但是只要系统仍处于“过耦合”状态,负载接收电压的最大值就有可能保持不变。(5)针对大功率无线电能传输的需要,提出提高无线电能传输功率所涉及的三个基本问题(大功率高频电源、阻抗匹配、谐振频率稳定性问题)以及由于功率提高带来的电磁辐射与电磁兼容问题。(6)设计磁耦合谐振式无线电能传输的实验系统,具体包括功率放大电路、阻抗匹配电路、发射与接收系统等,实现了能量的有效大功率无线传输。
文献[10]利用互感耦合模型,推导出磁谐振无线电能传输系统的最大传输效率表达式,并指出系统工作频率选择、电源匹配、负载匹配是决定系统能否获得最大传输效率的三大要素。通过引入强耦合系数的概念,得出强耦合系数是决定系统最大传输效率的关键物理量。
