磁谐振式无线电能传输系统阻抗匹配网络的设计与实现

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当今市面上热点的无线充电产品应用了电磁感应式技术,但它的无线电能传输距离短,而且充电过程中需要对准。人们对无线电能最终追求的目标是远距离、大功率、高效率传输,而磁谐振式作为一种新兴的无线电能传输方式能达到这一要求。其在植入式医疗设备系统、移动终端设备无线充电等领域具有广阔的发展前景。磁谐振式无线电能传输在距离变化时,传输功率及效率随着传输距离增加会显著下降。本文主要从磁谐振式无线电能传输效率问题出发,研究了一种提高无线电能传输效率的方法——无线电能传输自动离散阻抗匹配方法。首先,在无线电能传输技术的研究现状及背景之下,重点介绍磁谐振式无线电能传输技术及尚待解决的问题。根据磁谐振式无线电能传输的基本理论,建立了磁谐振等效电路模型,对影响无线电能传输效率的因素进行了理论和MATLAB仿真分析;在此基础上建立了关于磁谐振式系统的二端口网络模型,分析了系统的负载功率及功率增益,并给出了系统最大功率传输条件。其次,为了避免在磁谐振无线电能传输系统中接收负载阻抗与电源的阻抗不匹配,提出了在高频电源和发射线圈之间添加阻抗匹配网络。在基于L型阻抗匹配网络的基础上,研究了一种自动离散阻抗匹配方法,通过调节阻抗匹配网络中匹配电容的值,使无线电能传输系统的效率得到提高。并且建立了无线电能传输系统的仿真电路模型,通过改变模型参数来模拟实际系统阻抗失配,利用所研究的阻抗匹配方法进行仿真,对系统加阻抗匹配网络前后的功率增益进行了比较。仿真结果证明所设计的阻抗匹配电路能明显提高系统的传输效率。然后,磁谐振式无线电能传输系统的设计,包括信号源、高频电源、发射接收线圈参数的选取及器件选型,介绍了定向耦合器、无线电能接收端电路的设计。采用Arduino UNO为控制核心,设计了可以数字调节的自动离散阻抗匹配电路。最后,搭建了无线电能传输的实验装置,实验进行了在不同接收距离下,加阻抗匹配网络前后的接收线圈和发射线圈的波形及系统功率增益。实验结果证明:本文所研究的阻抗匹配方法能提高磁谐振式无线电能的传输效率。
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