基于ICPT的無線電能傳輸網(wǎng)關鍵技術研究.pdf

1、無線電能傳輸技術的實質是泛指一種借助存在于物理空間中的傳能介質，如：高頻功率磁場、電磁波、微波、RF無線電波等，實現(xiàn)將電能以非接觸的形式由源極傳輸至受電極的電能供給模式。感應耦合電能傳輸(lnductively Coupled PowerTransfer，以下簡稱ICPT)技術是基于電磁感應耦合原理的無線電能傳輸模式，解決了移動電氣設備的電源靈活、安全、綠色接入問題，是目前無線電能傳輸領域的一個研究熱點。
　　感應耦合電能傳輸技術

2、的電能傳輸效率與電能傳輸空間尺度之間的突出矛盾一直是制約該項技術產(chǎn)業(yè)化應用的瓶頸。目前有通過ICPT系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計、提高電能發(fā)射端諧振頻率、電磁共振耦合、增大發(fā)射功率等方法以求最大化電能傳輸距離。通過提升發(fā)射磁場頻率固然可以適當緩解這一矛盾，在低頻時感應耦合電能傳輸系統(tǒng)的損耗主要集中在電路本身，但隨著頻率的增大（大尺度傳輸時頻率上GHz級，中尺度傳輸時上MHz級），此時能量在外界空間中的耗散也將急劇增加，系統(tǒng)傳輸效率將大幅下降，且EM

3、I干擾將隨之增強，對處在該環(huán)境內(nèi)的電子設備造成強烈的干擾。另一方面，眾所周知，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)傳輸效率將急劇下降（如MIT在2米范圍內(nèi)無線傳輸60W功率時效率僅約為40％左右），在系統(tǒng)輸入功率較小的情況下甚至可能致拾取電能失效。鑒于電路中電子元器件的特性，發(fā)射端功率的增加存在一個上限額度，所以此類策略都無法解決ICPT技術提升能量傳輸效率與擴大傳輸尺度不可兼得的矛盾問題。此外，借助電磁波、微波、RF無線電波等介質的無線電能傳輸技

4、術同樣存在傳輸距離、傳輸功率、及傳輸方向性等方面的制約。基于此，本文首次提出一種基于無線電能傳輸技術的無線電能傳輸網(wǎng)概念，引入具有雙向電能傳輸能力的能量中繼節(jié)點，憑借能量中繼節(jié)點的“接力”作用構建能量傳輸鏈路通道，若干條如此類型的能量傳輸鏈路便組成了一個網(wǎng)內(nèi)無中心、能量傳輸節(jié)點對等的無線電能傳輸局域網(wǎng)絡，實現(xiàn)能量無線多跳傳輸，在保證系統(tǒng)電能傳輸效率的前提下拓展無線電能傳輸?shù)挠行Э臻g尺度。
　　論文以國家自然科學基金項目“非接觸電能

5、雙向推送系統(tǒng)關鍵技術研究”(基金編號：50807057)及教育部博士點基金項目“非接觸電能傳輸系統(tǒng)關鍵技術研究”(基金編號：20070611012)為依托，在國內(nèi)外學者對無線電能傳輸技術研究的基礎之上面向無線電能傳輸網(wǎng)展開研究工作，旨在論證無線電能傳輸網(wǎng)的科學性和有效性，并著力解決無線電能傳輸網(wǎng)的部分關鍵科學技術問題。
　　作者主要研究工作如下：
　　1．分析了無線電能傳輸技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及取得的研究成果，針對目前存在的

6、矛盾問題提出并論證無線電能傳輸網(wǎng)及其基本架構，并闡述本文研究的目的、意義及內(nèi)容。
　　2．論述基于無線電能傳輸技術的無線電能傳輸網(wǎng)框架，詳細論證無線電能傳輸節(jié)點的基本結構、基本電路拓撲、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并驗證無線電能傳輸鏈路的可行性。
　　3．提出一種基于能量注入控制方法的移相控制策略以實現(xiàn)對無線電能傳輸鏈路系統(tǒng)輸出功率的調節(jié)。重點論述基于能量注入控制方法的移相控制策略，從能量的角度提出能量注入占空比的概念，為移相控制策

7、略提供理論依據(jù)。最后通過仿真試驗驗證基于能量注入控制方法的移相控制策略對滿足負載動態(tài)功率需求的有效性。
　　4．無線電能傳輸鏈路系統(tǒng)的高階嚴重開關非線性使得不易對系統(tǒng)進行精確數(shù)學建模和有效控制，為此，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的無線電能傳輸鏈路能量傳輸節(jié)點輸出穩(wěn)壓控制策略。通過設計基于誤差反向傳播算法的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡并將其作為控制器應用于傳輸鏈路系統(tǒng)輸出穩(wěn)壓控制。仿真結果論證了神經(jīng)網(wǎng)絡控制器具有一定的可行性，并通過實驗研究驗證在負載躍變時，神

8、經(jīng)網(wǎng)絡控制策略具有較好的控制作用，自適應性強。
　　5．提出基于ICPT技術的無線電能傳輸鏈路能量雙向傳輸電路拓撲結構。論述了無線電能雙向傳輸鏈路工作機制，并從互感耦合原理出發(fā)詳細闡述電能雙向傳輸鏈路電路拓撲，獲得通過調節(jié)能量發(fā)射節(jié)點輸入電壓相位和能量接收節(jié)點輸出電壓相位的差值大小控制能量流的流向和傳輸功率值及在相位差固定的情形下，通過控制能量發(fā)射節(jié)點輸入電壓幅值調節(jié)系統(tǒng)傳輸功率的結論。通過仿真和實驗驗證無線電能雙向傳輸鏈路電路拓

9、撲結構和控制策略的正確性。
　　6．提出了無線電能傳輸鏈路優(yōu)化數(shù)學模型，采用動態(tài)更新機制對信息素進行更新，以增強蟻群優(yōu)化算法的全局搜索能力，基于改進蟻群優(yōu)化算法的無線電能傳輸鏈路優(yōu)化策略能構建效率最大化且鏈路剩余電能最多的電能傳輸路徑，以達到兼顧延伸電能傳輸距離和保證電能傳輸鏈路穩(wěn)定性的目的。并研究了無線電能傳輸鏈路系統(tǒng)能量傳輸效率特性。仿真試驗驗證了改進蟻群優(yōu)化算法在無線電能傳輸鏈路優(yōu)化方面的優(yōu)越性。
　　本文的創(chuàng)新性貢獻

10、：
　　(1)提出一種基于無線電能傳輸技術的無線電能傳輸網(wǎng)基本架構，通過能量中繼節(jié)點的“接力”作用建立起能量發(fā)射節(jié)點與能量接收節(jié)點之間的一條由一系列具有路由功能的移動能量傳輸節(jié)點組成的電能傳輸鏈路，構建無線電能多跳傳輸，能量傳輸鏈路的集合便形成一種網(wǎng)內(nèi)無中心、能量傳輸節(jié)點對等的無線電能傳輸網(wǎng)，并提出無線電能傳輸鏈路壽命模型與網(wǎng)絡覆蓋范圍評估模型，為后繼研究奠定基礎。
　　(2)提出集能量發(fā)射功能、能量接收功能和能量中繼功能于