无线能量传输技术是指借助空间中的无形介质（电场、磁场、电磁波、激光、超声等）来实现电源与用电设备之间的能量传递，是一种较为理想的供电方式，在医疗植入器械、机器人、无线传感器以及各种电气设备中具有广阔的应用前景，然而传输距离与传输效率之间的冲突一直是制约该技术进一步商业化的最大障碍。磁耦合谐振无线能量传输技术是近年来的新兴技术，相比于微波、激光、感应耦合式等相对成熟的技术，磁耦合谐振式以传输距离适中、传输效率高以及辐射损耗低等特点，在面向日常生活中电气设备的供电需求表现出更高的实用潜力。但目前对该技术的研究程度还不足以满足实用化需求，特别是磁耦合谐振无线能量传输系统在特殊范围内所表现出的低效性，需要有针对性的提出解决方案来提高系统的实用性;同时系统因额外引入两组线圈使得系统参数在设计中表现出更为复杂的耦合关系，缺少各参数间的约束关系以及明确的设计原则，需要对系统内各参数之间的耦合关系进行详细分析，明确系统设计流程以及在各个阶段中的约束关系，为系统设计提供理论基础。针对上述问题，本文以理论分析、有限元仿真和实验测试为方法，在系统模型、临界耦合状态、设计约束以及传输特性等方面开展相关研究，具体研究内容如下:　　首先，分析谐振补偿拓扑结构并建立磁耦合谐振无线能量传输系统的等效电路模型，基于S参数和η参数对系统临界频率特性进行分析。针对耦合系统中的四种基本谐振补偿拓扑结构，推导出各自的初级回路中谐振电容补偿表达式，并以次级回路的反映阻抗影响最小为原则建立系统的等效电路模型;并以最大功率传输和最高效率传输为目标，分别推导出两个系统参数的表达式，并引入回路Q值和耦合系数使得表达式更为直观;基于理论模型，分析系统的频率特性，将系统临界出现频率分裂现象时称为临界耦合状态，并以此将系统的工作区间划分为过耦合区间和欠耦合区间;通过有限元仿真的方法对理论分析结果进行验证，并对系统两个分裂方向所存在的差异性进行解释及仿真分析。　　其次，基于理论模型分析系统的临界耦合状态，讨论以提高发射回路Q值来补偿接收回路Q值的可行性，并给出系统参数设计约束及整体设计流程。针对系统的临界耦合状态，推导出系统临界耦合系数和临界状态参数，并分析各回路Q值以及发射端和接收端耦合系数分别对系统临界状态的影响;基于对发射回路Q值和接收回路Q值的分析，对采用提高发射回路Q值以补偿系统传输性能的方案进行讨论，推导出发射和接收回路Q值的极值表达式，并搭建实验测试平台对理论分析进行验证;提出系统整体设计流程并以最大功率传输为目标，针对定点传输和范围传输两种情况，给出系统设计时的参数约束条件。　　再次，针对系统在过耦合区间内出现的频率分裂现象，提出一种四线圈结构可切换的无线能量传输系统。通过建立谐振状态下四种不同结构系统的电路模型，分析系统可调参数对系统传输性能的影响，并以最高效率传输为目标，基于传输距离与负载电阻的变化，给出系统的切换条件。通过有限元仿真和实验测试对理论分析进行验证，理论模型与仿真和实验结果基本一致，实验结果表明系统在过耦合区间内的平均效率可提高20％以上。相比于调整系统谐振频率的方法，该切换系统具有结构简单、易于控制等优点，在不增加原有系统复杂度的基础上可以有效的补偿系统传输性能，更加适合系统的实际应用。　　最后，针对系统在欠耦合区间内传输性能随距离增加而快速下降，对带中继结构的无线能量传输系统进行研究。建立带中继结构的系统等效电路模型，推导出S参数表达式，并基于模型及有限元仿真，对中继线圈的位置变化进行分析。通过对比模型和仿真结果，发现由于模型中对次级互感的忽略导致在传输距离较远时会出现较为明显的误差，考虑各次级互感的影响权重对系统模型进行了修正。并在理论分析基础上，给出中继线圈的设计约束以及与耦合系数kcc之间的关系曲线。以有限元仿真对中继线圈匝数和半径进行仿分析，搭建实验系统进行了测试，结果显示在系统S参数下降到0.5时，带中继结构系统的有效传输距离可以提高一倍以上，验证了中继线圈的有效性。　　综上，本文对磁耦合谐振无线能量传输系统的进行了相关研究，深入讨论了系统的临界耦合状态，并基于此对系统工作区间进行划分，并以多结构可切换系统和带中继结构系统来分别补偿系统在过耦合和欠耦合区域内的能量损失，为该技术的进一步实用化提供了理论基础和实验支撑。