多米诺式无线充电系统关键技术研究【字数：14471】
多米诺无线充电系统主要是研究磁耦合谐振无线充电系统。磁耦合谐振电能传输是指系统达到谐振状态时，系统的发射端和接收端实现强耦合，从而能够保证能量的高效传输。本文通过参考和查阅无线充电的相关资料，举例介绍了无线充电系统的发展历程。然后比较了三种无线充电方式的优劣。接着对磁耦合谐振式无线充电系统的影响参数进行了研究和分析。为后续的系统建模提供理论依据。磁耦合谐振电能传输系统多运用在中距离的传输，而引入中继线圈可以提升系统的有效传输距离。这是目前研究的热点问题，但对具有多个传输线圈系统的研究，还缺乏对于影响该系统诸多参数的分析。因而本文就以三线圈系统进行研究，对比没有传输线圈加入的系统，分析加入了一个传输线圈对于系统效率的影响。结合MATLAB直观地得出了加入中继线圈能够提高系统的传输距离的结论。
目录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状分析 1
1.2.1 磁谐振耦合式无线输电的发展历程 2
1.2.2 几种主要的无线输电方式 4
1.2.3 无线输电的优点 7
1.3 研究意义与前景 7
1.4 本文研究内容 10
1.5 本章小结 11
2.磁耦合谐振式无线充电系统的原理和参数分析 12
2.1 磁耦合谐振式无线充电的基本原理 12
2.2 磁耦合谐振电能传输系统的结构 13
2.3 无线充电系统的参数分析 14
2.3.1 系统的耦合系数 15
2.3.2 系统的损耗系数 16
2.4 本章小结 17
3.无线输电系统的建模 18
3.1 系统建模 18
3.1.1 没有中继线圈的系统 18
3.1.2 有一个中继线圈的系统 19
3.2 本章小结 21
4.系统效率的影响因素 22
4.1 中继线圈对系统效率的影响 22
4.2 频率对系统效率的影响 25
4.3 本章小结 26
5.总结与展望 27
5.1 总结 27
5.2 展望 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 参考文献 29
致谢 30
1绪论
1.1引言
电力在能源发展中居中心地位，它是广泛应用于现代工业农业生产、新科技研究发展和医疗社保等各个领域的主要能源和动力。一直以来，电能传输都需要依托金属导线来进行，接触式传导的传输方式在日常生活中扮演着无法取代的角色。然而，这种有线输电的方式仍存在一些弊端和潜在的安全问题，例如生活中常常可以看见电线杆的倾斜倒塌，悬挂断落的电线电缆等。有线的输电方式还受到环境和天气因素的制约，长期的风吹雨淋引起的线路腐蚀、老化、摩损而引发的电力事故屡见不鲜。后期的检修和维护也浪费了大量时间、人力资源。此外在一些特殊的工作场所，例如水下做业、防火防爆等存在极大供电的安全隐患。由此可见，传统的电能传输方式未能达到现代人逐渐增加的需要。理所当然的无线输电开始成为人们研究的热题之一。
07年麻省理工提出了磁耦合谐振式无线充电理论，并通过实验成功开拓了研究磁耦合谐振式无线充电领域的道路。不同于感应式无线输电仅能传输毫瓦的量级，它能够使60瓦的小灯泡稳定工作发出正常的光亮，在距离为2米、效率为40%的情况下，有效地实现了中距离的能量传输。这种新型的谐振式无线充电系统，是基于电磁共振的理论依据。当两个有相同的谐振频率的谐振体，他们之间发生能量转移时，他们不会受到周围环境和物体的影响，少部分的能量会逸散，大部分的能量都会被接收端所获得。目前大多数谐振耦合式无线充电的研究都集中在对于没有中继线圈的系统研究，因此本文针对有一个和两个中继线圈的情况做具体研究报告。
1.2国内外研究现状分析
随着时代的发展，在没有新材料和新电池储备技术突破的前提下，充电问题仍是一座难以逾越的高山，无限充电的期望也随着孕育而成。众多的科研机构也都做出一系列尝试，以下就举例分析其特点，然后得出无线充电的优势。
1.2.1磁谐振耦合式无线输电的发展历程
詹姆斯麦克斯韦在1864年首次预言了无线电波。1888年，海因里希赫兹用他的火花隙无线电发射机展示了无线电波的证据。尼古拉特斯拉相信电能的无线传输是能够实现的。为此他建造了所谓的“特斯拉塔”，如图 1 1所示，这是一个巨大的线圈，连接到一个直径为3英尺的200英尺高的塔上。特斯拉向该设备注入了300千瓦的电能；线圈谐振频率为150千赫。由于能量是向各个方向扩散，实验失败了。在20世纪60年代，许多研究投入到利用微波传输能量上。威廉布朗制造了他所谓的“整流天线”。这个装置接收无线电频率并将其转换成直流电。布朗成功了，但效率很低。加拿大于1987年成功驾驶了一架无燃料模型飞机，向模型飞机发射了2.45千兆赫、10 kW的微波。也有人试图通过感应转移能量。1894年，胡丁和勒布朗提出了一种为电动汽车提供动力的装置和方法，这是首次使用这种方法。然而，事实证明内燃机更受欢迎，这项技术被遗忘了一段时间。
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图 1 1沃登克里弗塔
1972年，奥克兰大学的唐奥托( Don Otto )教授提出了一种利用道路上的发射器和车辆上的接收器感应驱动的车辆。1977年，约翰特罗姆布利获得了“电磁耦合电池充电器”的专利。该专利描述了为矿工头灯电池充电的应用。美国感应充电在美国的第一次应用是在1978年由博尔格、柯尔斯顿和吴淑珍完成的。他们制造了一辆电动汽车，动力系统为180赫兹，功率为20千瓦。20世纪80年代，加利福尼亚生产了一种由感应充电供电的公共汽车，这一时期法国和德国也在进行类似的工作。2006年，麻省理工学院的团队开始使用共振耦合的原理对无线充电系统进行研究。他们能够在几米范围内没有辐射的情况下传输大量的能量。事实证明，这更适合商业需求，也是感应充电的重要一步。无线电力联盟成立于2008年，并于2010年建立了合格中介机构标准。日本在2009年成立了宽带无线论坛( BWB )，并在2013年成立了无线电力实用联盟( WiPoT )。2010年，能量收集联合会也在日本成立。韩国于2011年建立了韩国无线电力论坛，这些组织的目的是建立感应充电标准。 2014年，克莱斯勒已经实施了汽车无线充电系统。该系统采用开放式网络结构，能够给手机等移动设备充电。
近年来，利用无线充电技术孕育而生的产品开始逐步进入市场。诺基亚于2012年9月5日推出两款智能手机( Lumia 820和Lumia 920 )，其特点是采用齐感应充电。
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图 1 2手机无线充电
谷歌和LG于2012年10月推出Nexus 4，支持使用Qi标准的感应充电。
摩托罗拉移动推出了它的Droid 3和Droid 4，两者都可选地支持Qi标准。
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1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状分析 1
1.2.1 磁谐振耦合式无线输电的发展历程 2
1.2.2 几种主要的无线输电方式 4
1.2.3 无线输电的优点 7
1.3 研究意义与前景 7
1.4 本文研究内容 10
1.5 本章小结 11
2.磁耦合谐振式无线充电系统的原理和参数分析 12
2.1 磁耦合谐振式无线充电的基本原理 12
2.2 磁耦合谐振电能传输系统的结构 13
2.3 无线充电系统的参数分析 14
2.3.1 系统的耦合系数 15
2.3.2 系统的损耗系数 16
2.4 本章小结 17
3.无线输电系统的建模 18
3.1 系统建模 18
3.1.1 没有中继线圈的系统 18
3.1.2 有一个中继线圈的系统 19
3.2 本章小结 21
4.系统效率的影响因素 22
4.1 中继线圈对系统效率的影响 22
4.2 频率对系统效率的影响 25
4.3 本章小结 26
5.总结与展望 27
5.1 总结 27
5.2 展望 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 参考文献 29
致谢 30
1绪论
1.1引言
电力在能源发展中居中心地位，它是广泛应用于现代工业农业生产、新科技研究发展和医疗社保等各个领域的主要能源和动力。一直以来，电能传输都需要依托金属导线来进行，接触式传导的传输方式在日常生活中扮演着无法取代的角色。然而，这种有线输电的方式仍存在一些弊端和潜在的安全问题，例如生活中常常可以看见电线杆的倾斜倒塌，悬挂断落的电线电缆等。有线的输电方式还受到环境和天气因素的制约，长期的风吹雨淋引起的线路腐蚀、老化、摩损而引发的电力事故屡见不鲜。后期的检修和维护也浪费了大量时间、人力资源。此外在一些特殊的工作场所，例如水下做业、防火防爆等存在极大供电的安全隐患。由此可见，传统的电能传输方式未能达到现代人逐渐增加的需要。理所当然的无线输电开始成为人们研究的热题之一。
07年麻省理工提出了磁耦合谐振式无线充电理论，并通过实验成功开拓了研究磁耦合谐振式无线充电领域的道路。不同于感应式无线输电仅能传输毫瓦的量级，它能够使60瓦的小灯泡稳定工作发出正常的光亮，在距离为2米、效率为40%的情况下，有效地实现了中距离的能量传输。这种新型的谐振式无线充电系统，是基于电磁共振的理论依据。当两个有相同的谐振频率的谐振体，他们之间发生能量转移时，他们不会受到周围环境和物体的影响，少部分的能量会逸散，大部分的能量都会被接收端所获得。目前大多数谐振耦合式无线充电的研究都集中在对于没有中继线圈的系统研究，因此本文针对有一个和两个中继线圈的情况做具体研究报告。
1.2国内外研究现状分析
随着时代的发展，在没有新材料和新电池储备技术突破的前提下，充电问题仍是一座难以逾越的高山，无限充电的期望也随着孕育而成。众多的科研机构也都做出一系列尝试，以下就举例分析其特点，然后得出无线充电的优势。
1.2.1磁谐振耦合式无线输电的发展历程
詹姆斯麦克斯韦在1864年首次预言了无线电波。1888年，海因里希赫兹用他的火花隙无线电发射机展示了无线电波的证据。尼古拉特斯拉相信电能的无线传输是能够实现的。为此他建造了所谓的“特斯拉塔”，如图 1 1所示，这是一个巨大的线圈，连接到一个直径为3英尺的200英尺高的塔上。特斯拉向该设备注入了300千瓦的电能；线圈谐振频率为150千赫。由于能量是向各个方向扩散，实验失败了。在20世纪60年代，许多研究投入到利用微波传输能量上。威廉布朗制造了他所谓的“整流天线”。这个装置接收无线电频率并将其转换成直流电。布朗成功了，但效率很低。加拿大于1987年成功驾驶了一架无燃料模型飞机，向模型飞机发射了2.45千兆赫、10 kW的微波。也有人试图通过感应转移能量。1894年，胡丁和勒布朗提出了一种为电动汽车提供动力的装置和方法，这是首次使用这种方法。然而，事实证明内燃机更受欢迎，这项技术被遗忘了一段时间。
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图 1 1沃登克里弗塔
1972年，奥克兰大学的唐奥托( Don Otto )教授提出了一种利用道路上的发射器和车辆上的接收器感应驱动的车辆。1977年，约翰特罗姆布利获得了“电磁耦合电池充电器”的专利。该专利描述了为矿工头灯电池充电的应用。美国感应充电在美国的第一次应用是在1978年由博尔格、柯尔斯顿和吴淑珍完成的。他们制造了一辆电动汽车，动力系统为180赫兹，功率为20千瓦。20世纪80年代，加利福尼亚生产了一种由感应充电供电的公共汽车，这一时期法国和德国也在进行类似的工作。2006年，麻省理工学院的团队开始使用共振耦合的原理对无线充电系统进行研究。他们能够在几米范围内没有辐射的情况下传输大量的能量。事实证明，这更适合商业需求，也是感应充电的重要一步。无线电力联盟成立于2008年，并于2010年建立了合格中介机构标准。日本在2009年成立了宽带无线论坛( BWB )，并在2013年成立了无线电力实用联盟( WiPoT )。2010年，能量收集联合会也在日本成立。韩国于2011年建立了韩国无线电力论坛，这些组织的目的是建立感应充电标准。 2014年，克莱斯勒已经实施了汽车无线充电系统。该系统采用开放式网络结构，能够给手机等移动设备充电。
近年来，利用无线充电技术孕育而生的产品开始逐步进入市场。诺基亚于2012年9月5日推出两款智能手机( Lumia 820和Lumia 920 )，其特点是采用齐感应充电。
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图 1 2手机无线充电
谷歌和LG于2012年10月推出Nexus 4，支持使用Qi标准的感应充电。
摩托罗拉移动推出了它的Droid 3和Droid 4，两者都可选地支持Qi标准。
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