無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u29787無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)綜述 1227061.1研究背景 175121.2無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)姆绞?2322161.1.1電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸 217141.1.2輻射式無(wú)線(xiàn)電能傳輸 330761.1.3磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸 3326711.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4124221.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 4305551.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6246231.4磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸基本理論分析 8204571.4.1三大建模方法 870451.4.2關(guān)鍵技術(shù) 11235591.4.3工作原理 1254911.4.4電池分類(lèi) 1324391.4.5電池充電方案 149401.5小結(jié) 161.1研究背景電動(dòng)自行車(chē)速度快，便捷，已成為很多人出行的常用選擇之一，隨著電動(dòng)自行車(chē)的使用數(shù)量的增加，為了合理規(guī)劃城市建設(shè)，相關(guān)人員開(kāi)始注重智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上大部分充電樁都需要自帶充電插口，更甚有人私拉電線(xiàn)作為他用，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)滿(mǎn)足真正需要充電的電動(dòng)車(chē)車(chē)主的需求。而且有線(xiàn)充電插頭在多次插拔的過(guò)程中極易發(fā)出電火花，甚至?xí)须娏鱾Φ饺说纳眢w，不僅影響插頭的壽命，還會(huì)危及使用者人生安全。無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，由于充電設(shè)備和用電設(shè)備直接相連，無(wú)需其他連接線(xiàn)，很好的避免了插口老化，私拉電線(xiàn)，頻繁插拔插頭引起的火災(zāi)和觸電危險(xiǎn)。憑借安全性好、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)迅速受到各界關(guān)注。目前，無(wú)線(xiàn)電能傳輸目前仍存在一些問(wèn)題，首先是效率不高，在實(shí)際應(yīng)用中難以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能量傳輸，這就導(dǎo)致在傳輸過(guò)程中會(huì)有些許損耗；其次，該技術(shù)存在電磁輻射等的安全問(wèn)題，由于不借助連接線(xiàn)進(jìn)行傳輸，能量不便于控制，且傳送功率比無(wú)線(xiàn)通訊要大得多，這就導(dǎo)致能量密度增大，對(duì)人體健康和安全難免會(huì)有一定的影響。本系統(tǒng)采用磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸，顯著的特點(diǎn)是具有比較好的方向性，工作時(shí)電能傳輸?shù)谋容^快，輻射小，很好的解決了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)問(wèn)題。傳輸過(guò)程中，電磁場(chǎng)隨傳輸距離的增加會(huì)變?nèi)?，?dāng)發(fā)射端與接收端的回路處于共振時(shí)，大部分能量會(huì)聚集到接收端。1.2無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)姆绞綗o(wú)線(xiàn)充電技術(shù)源自于無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)，基本原理為利用電與磁之間相互感應(yīng)的技術(shù)，在充電設(shè)備與用電設(shè)備之間通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行能量的傳遞，不需要使用其他的連接線(xiàn)。依據(jù)傳輸原理分為三類(lèi)，分別是電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式和輻射式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)[[]李小磊,秦會(huì)斌.磁耦合諧振式的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)研究[J].通信電源技術(shù),2018,35(09):7-9+13.[]李小磊,秦會(huì)斌.磁耦合諧振式的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)研究[J].通信電源技術(shù),2018,35(09):7-9+13.無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)娜N方式如圖2-1所示：圖2-1無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)娜N方式1.1.1電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸該技術(shù)主要利用電與磁感應(yīng)原理，是基于近場(chǎng)的傳輸。該系統(tǒng)由三部分組成，分別是電能的發(fā)送、分壓式的變壓器以及由負(fù)載構(gòu)成的接收等相關(guān)部分。傳輸系統(tǒng)框圖如圖2-2[[]劉婉.基于磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸諧振器陣列的研究[D].江西[]劉婉.基于磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸諧振器陣列的研究[D].江西:南昌大學(xué),2015.圖2-2電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)框圖電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)姆绞酱嬖诘膯?wèn)題是其傳輸距離近，能量損耗會(huì)隨距離的增大而增大，實(shí)際應(yīng)用中容易產(chǎn)生渦流效應(yīng)。這種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式適用于個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)充電，例如手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鼠標(biāo)等。1.1.2輻射式無(wú)線(xiàn)電能傳輸該技術(shù)主要利用電磁波的知識(shí)，是基于遠(yuǎn)場(chǎng)的傳輸。發(fā)射側(cè)的天線(xiàn)發(fā)射電能，接收側(cè)的天線(xiàn)接收電磁波，通過(guò)電路分析等的處理，達(dá)到傳輸電能的目的。這種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式的不足是傳輸功率小，充電速度慢，能量損耗大，該技術(shù)對(duì)生物體有輻射，傳輸損耗很大。該技術(shù)要求發(fā)送天線(xiàn)與接收天線(xiàn)必須對(duì)準(zhǔn)，且在傳輸過(guò)程中沒(méi)有障礙物造成干擾。輻射無(wú)線(xiàn)電可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波、微波式、激光式或超聲波式發(fā)射[[]沈悅.基于無(wú)線(xiàn)供能的胃腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué)[]沈悅.基于無(wú)線(xiàn)供能的胃腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2017.輻射天線(xiàn)輻射天線(xiàn)輻射天線(xiàn)輻射天線(xiàn)輻射天線(xiàn)輻射天線(xiàn)接收天線(xiàn)負(fù)載微波發(fā)射端微波接收端微波電源微波產(chǎn)生器整流電路圖2-3微波輻射式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.3磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸該技術(shù)主要利用磁耦合諧振的原理，使得發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈同時(shí)發(fā)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)中短距離的能量傳送。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是傳輸過(guò)程可以直接屏蔽非金屬障礙物，直接穿透繼續(xù)傳輸，傳輸距離可以達(dá)到幾米，效率高。具體傳輸過(guò)程如圖2-4所示：圖2-4磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該技術(shù)基于近場(chǎng)強(qiáng)耦合及諧振技術(shù)，其傳輸距離適中、傳輸功率大、橫向偏移錯(cuò)位適應(yīng)性強(qiáng)，深受電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)企業(yè)的喜愛(ài)。本電動(dòng)自行車(chē)智能充電系統(tǒng)采用該技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)最早出現(xiàn)是在十九世紀(jì)后期，非常有名的研究電氣方面的學(xué)者尼古拉·特斯拉提出并做了大量的相關(guān)研究，他不斷實(shí)驗(yàn)，努力驗(yàn)證，希望可以將無(wú)線(xiàn)傳輸延拓到遠(yuǎn)距離的應(yīng)用場(chǎng)景中，但限于早期技術(shù)，資金的匱乏，該技術(shù)只是停留在一個(gè)想象的階段[[]Tesla,N.ApparatusforTransmittingElectricalEnergy.USPatentNo.1119732,1914.[]Tesla,N.ApparatusforTransmittingElectricalEnergy.USPatentNo.1119732,1914.20世紀(jì)初期，日本科學(xué)家H.Yagi等人研制出不借助連接線(xiàn)就可以進(jìn)行電能運(yùn)送的定向天線(xiàn)[[14]YagiH，UdaS．Feasibilityofelectricpowertransm—issionbyradiowaves[C]．The3rdPan—PacificAcademicConference，Tokyo，Japan，1926．]，可以將能量通過(guò)微波向外發(fā)送，經(jīng)過(guò)大批實(shí)驗(yàn)論證與研制，雷聲公司的布朗等人提出了半導(dǎo)體二極管整流天線(xiàn)[[]BrownWC．Thermionicdioderectifier[J]．Micro—wavePowerEngineering，1968，1：295·298．、[[14]YagiH，UdaS．Feasibilityofelectricpowertransm—issionbyradiowaves[C]．The3rdPan—PacificAcademicConference，Tokyo，Japan，1926．[]BrownWC．Thermionicdioderectifier[J]．Micro—wavePowerEngineering，1968，1：295·298．[]BrownWC．Thecombinationreceivingantennaandrectifier[J]．MicrowavePowerEngineering，1968，2：273—275．1980年代出現(xiàn)了電磁感應(yīng)耦合的無(wú)線(xiàn)充電模式。新西蘭奧克蘭大學(xué)的波依斯教授等人對(duì)電感無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)的拓?fù)滢D(zhuǎn)換、傳輸機(jī)構(gòu)和耦合優(yōu)化進(jìn)行了很多研究，并取得了顯著的成果[[]BoysJT，CovicGA．Pick—uptransformerforICPTapplications[C].ElectronicsLetters．2002：1276—1278．]。由于該技術(shù)對(duì)磁路有著很?chē)?yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，傳送距離通常不是很遠(yuǎn)。因此，該技術(shù)很難在所需功率比較大的場(chǎng)合中投入生產(chǎn)。[]BoysJT，CovicGA．Pick—uptransformerforICPTapplications[C].ElectronicsLetters．2002：1276—1278．2007年，麻省理工大學(xué)的馬林·索爾賈?？撕退难芯繄F(tuán)隊(duì)使發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈在特定情況下發(fā)生諧振，成功在1.9m外使六十瓦的燈泡發(fā)光[[]KursA，KaralisA，MoffattR，eta1．Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J]．Science，2007，317(5834)：83·86．]。這就是磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)拈_(kāi)始，成功解決了之前的技術(shù)在傳輸距離短的缺陷，傳輸距離突破了“米”的限制；同時(shí)可以在工作時(shí)，最大程度上使得環(huán)境免受能量輻射帶來(lái)的影響。自此，研究人員對(duì)這種全新的方式進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)分析與研究，并取得了顯著的成果。[]KursA，KaralisA，MoffattR，eta1．Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J]．Science，2007，317(5834)：83·86．2010年CES會(huì)議上，海爾宣布制造了“無(wú)尾電視”，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)智能消費(fèi)電子產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。2011年，AlansonPSample等人研究出了一種深層次的諧振耦合系統(tǒng)的簡(jiǎn)單等效電路模型，提出了頻率、距離和阻抗匹配是決定無(wú)線(xiàn)電能傳輸性能的關(guān)鍵指標(biāo)。成功的通過(guò)諧振線(xiàn)圈隔空在0.7m外的筆記本電腦進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)充電[[]劉婉.基于磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸諧振器陣列的研究[D].江西:[]劉婉.基于磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸諧振器陣列的研究[D].江西:南昌大學(xué),2015.圖2-5筆記本無(wú)線(xiàn)充電2013年，新西蘭的奧克蘭大學(xué)的一批研究學(xué)者提出了全新的耦合器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其描述的是，在保證傳輸遠(yuǎn)近不改變、線(xiàn)圈的匝數(shù)不改變的前提下，這種全新的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更大的耦合系數(shù)，而且耦合系數(shù)的增大也不止局限于增大耦合器的半徑[[]BudhiaM,BoysJT,CovicGA,etal.Developmentofasingle-sidedfluxmagneticcouplerforelectricvehicleIPTchargingsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.][]BudhiaM,BoysJT,CovicGA,etal.Developmentofasingle-sidedfluxmagneticcouplerforelectricvehicleIPTchargingsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.圖2-6改進(jìn)型耦合器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2015年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院在韓國(guó)南部建設(shè)了長(zhǎng)達(dá)12千米的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)電源供應(yīng)區(qū)[[]楊旭.串并補(bǔ)償磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[D].廣東:華南理工大學(xué),2018.][]楊旭.串并補(bǔ)償磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[D].廣東:華南理工大學(xué),2018.2016年，中惠創(chuàng)智公司將無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)用于監(jiān)控礦井下的工作情況[[]王文哲.磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸串并式系統(tǒng)頻率特性研究[D].陜西:[]王文哲.磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸串并式系統(tǒng)頻率特性研究[D].陜西:西安理工大學(xué),20171.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的研究從本世紀(jì)才開(kāi)始，主要是磁耦合的諧振式無(wú)線(xiàn)電傳輸技術(shù)和電感式非接觸的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)有了一定的發(fā)展，2002年，重慶大學(xué)開(kāi)始研究非接觸電力傳輸?shù)幕A(chǔ)理論和工程應(yīng)用，成功開(kāi)發(fā)了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)[[]孫躍，王智慧，戴欣，等．非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(11)：56—59.、[]孫躍，祝兵權(quán)，戴欣．CPT系統(tǒng)輸出電壓主動(dòng)控制技術(shù)[J]．電源技術(shù)，2011(1)：76-78．[]孫躍，王智慧，戴欣，等．非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(11)：56—59.[]孫躍，祝兵權(quán)，戴欣．CPT系統(tǒng)輸出電壓主動(dòng)控制技術(shù)[J]．電源技術(shù)，2011(1)：76-78．2006年，東南大學(xué)提出了電場(chǎng)耦合光學(xué)電機(jī)技術(shù)、磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)的電力調(diào)整技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充放電和輸電網(wǎng)絡(luò)的相互作用技術(shù)，促進(jìn)了中國(guó)非接觸能源傳輸技術(shù)的持續(xù)發(fā)展[[]黃輝，黃學(xué)良，譚林林，等．基于磁場(chǎng)共振的無(wú)線(xiàn)電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究[J]．電工電能新技術(shù)，2011，30(1)：32-35．]。[]黃輝，黃學(xué)良，譚林林，等．基于磁場(chǎng)共振的無(wú)線(xiàn)電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究[J]．電工電能新技術(shù)，2011，30(1)：32-35．2011年10月，在天津舉辦了國(guó)內(nèi)第一次“無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)”專(zhuān)題研討會(huì)，相關(guān)專(zhuān)家們就目前的現(xiàn)狀、發(fā)展、存在的問(wèn)題進(jìn)行了嚴(yán)肅而深刻的探討，并達(dá)成了“天津共識(shí)”，“無(wú)線(xiàn)電能傳輸”這個(gè)專(zhuān)有名詞正式出現(xiàn)在人們視野。本次會(huì)議對(duì)于我國(guó)相關(guān)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展與廣泛普及有深遠(yuǎn)的影響[[]新觀(guān)點(diǎn)新學(xué)說(shuō)學(xué)術(shù)沙龍.無(wú)線(xiàn)電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與應(yīng)用前景[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,201[]新觀(guān)點(diǎn)新學(xué)說(shuō)學(xué)術(shù)沙龍.無(wú)線(xiàn)電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與應(yīng)用前景[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2011.2012年，重慶大學(xué)的孫躍及其實(shí)驗(yàn)室成員共同研制出了一款有著600瓦到1000瓦穩(wěn)定輸出功率的不需要連接線(xiàn)就可以進(jìn)行電能傳送的裝置。樣機(jī)如圖2-7所示：圖2-7重慶大學(xué)研制的無(wú)線(xiàn)充電車(chē)樣機(jī)2012年，河北工業(yè)大學(xué)楊慶新及其團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種T型等效模型，可以通過(guò)推導(dǎo)計(jì)算二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移參數(shù)得出系統(tǒng)的最佳頻率及其變化規(guī)律。楊慶新帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)功率放大器，成功的實(shí)現(xiàn)了兩米外點(diǎn)亮一盞一百二十瓦的電燈泡，六十米外點(diǎn)亮一盞三百七十五瓦的電燈泡[[]李陽(yáng).大功率諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].河北:[]李陽(yáng).大功率諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].河北:河北工業(yè)大學(xué),2011.圖2-8楊慶新及其團(tuán)隊(duì)合照?qǐng)D2-9楊慶新團(tuán)隊(duì)點(diǎn)亮燈泡實(shí)驗(yàn)2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波團(tuán)隊(duì)提出了一種使用多個(gè)線(xiàn)圈的磁耦合的諧振式方案，解決了交叉耦合的問(wèn)題。2014年，中興公司無(wú)線(xiàn)充電的技術(shù)延拓到了大功率的機(jī)器，如電動(dòng)汽車(chē)等，最高功率可達(dá)30KW。2016年，湖北工業(yè)大學(xué)的相關(guān)研究室在傳輸距離方面做了更加深層次的研究分析，得出了結(jié)論：隨著線(xiàn)圈半徑增大，電導(dǎo)率也會(huì)增大，隨著系統(tǒng)的處于諧振狀態(tài)時(shí)的頻率增大，電能也會(huì)傳輸?shù)脑絹?lái)越遠(yuǎn)[[]劉凌云.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸距離特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(2):43-46.[]劉凌云.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸距離特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(2):43-46.圖2-10不同半徑不同線(xiàn)徑的諧振線(xiàn)圈2019年，小米推出了一款無(wú)線(xiàn)充電寶，適應(yīng)于各種場(chǎng)景的20W無(wú)線(xiàn)充電，值得一提的是，該充電寶可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)車(chē)充，并且三臺(tái)裝置可以在同一個(gè)時(shí)間段一起充電[[]王杰.電動(dòng)自行車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的研究與實(shí)施[D].湖北:武漢大學(xué),2020.][]王杰.電動(dòng)自行車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的研究與實(shí)施[D].湖北:武漢大學(xué),2020.1.4磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸基本理論分析1.4.1三大建模方法耦合模理論建模法該理論是以會(huì)產(chǎn)生輕微擾動(dòng)的分量為研究對(duì)象的物理場(chǎng)的耦合理論[[]劉凌云.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸距離特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(2):43-46.、[]張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕等.電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(9):167-171.[]劉凌云.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸距離特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(2):43-46.[]張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕等.電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(9):167-171.[]LiH,WangK,HuangL,etal.Dynamicmodelingbasedoncoupledmodesforwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6245-6253.在本系統(tǒng)中，我們將發(fā)射端的線(xiàn)圈和接收端的線(xiàn)圈看作是兩個(gè)互相有小小影響的部分，在通過(guò)磁場(chǎng)耦合諧振傳遞能量時(shí)，可以不去考慮系統(tǒng)本身，只研究能量的流動(dòng)。在這種情況下，可以很好的去除其他無(wú)關(guān)因素，提高系統(tǒng)研究的準(zhǔn)確性[[]黃學(xué)良,譚林林,陳中,等.無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(010):1-11.][]黃學(xué)良,譚林林,陳中,等.無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(010):1-11.在考慮線(xiàn)圈、負(fù)載損耗時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式方程[[]KARALISA,JOANNOPOULOSJD,SOLJACICM.Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer[J].AnnalsofPhysics,2008,323(1):34-48.]如式(1.1)：[]KARALISA,JOANNOPOULOSJD,SOLJACICM.Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer[J].AnnalsofPhysics,2008,323(1):34-48.da1t表2-1公式（1.1）中各字母含義利用上式，可以得到系統(tǒng)工作時(shí)的諧振頻率，每一個(gè)線(xiàn)圈的模式分量以及能量等，同時(shí)通過(guò)公式推導(dǎo)計(jì)算也能夠求出傳輸效率、接收功率等。研究表明，兩諧振器間的耦合系數(shù)與傳輸?shù)木嚯x長(zhǎng)短息息相關(guān)，可以通過(guò)使兩個(gè)諧振器的諧振的頻率與激勵(lì)信號(hào)的頻率相同的方法，達(dá)到能量在諧振器間快速有效的傳送的目的。耦合模理論建模方法的優(yōu)點(diǎn)是清晰明了的展現(xiàn)能量的流動(dòng)，但涉及到具體參數(shù)的設(shè)計(jì)和獲取，進(jìn)行調(diào)整和觀(guān)察都不是很直觀(guān)。二端口網(wǎng)絡(luò)建模法二端口網(wǎng)絡(luò)法是將電路的一部分或是整體看作是一個(gè)黑匣子，只考慮該網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出及其特性，用以描述該系統(tǒng)的功能，不考慮其內(nèi)部組成。其動(dòng)力學(xué)方程如式(1.2)：V2=A×V系統(tǒng)的二端口模型如圖2-11所示：圖2-11系統(tǒng)二端口模型這種方法經(jīng)常用于感應(yīng)式和磁耦合式的設(shè)計(jì)中。二端口網(wǎng)絡(luò)建模法適用于參數(shù)確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)，存在的問(wèn)題是同樣不能對(duì)系統(tǒng)的具體參數(shù)進(jìn)行獲取與設(shè)計(jì)。電路理論建模法電路理論建模方法基于互感理論。原理圖如圖2-12[[]ZHANGJ,YUANX,WANGC,etal.Comparativeanalysisoftwo-coilandthree-coilstructuresforwirelesspowertransfer[J].IEEETransonPowerElectronics,2017,32(1):341-351.[]ZHANGJ,YUANX,WANGC,etal.Comparativeanalysisoftwo-coilandthree-coilstructuresforwirelesspowertransfer[J].IEEETransonPowerElectronics,2017,32(1):341-351.圖2-12磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)基本電路模型US=R1+jω表2-2公式（1.3）中各字母含義由式(1.3)可以求得流過(guò)RL的電流以及US回路的電流，進(jìn)一步求得系統(tǒng)的傳輸效率，負(fù)載的接收效率等特性。該方法不僅可以應(yīng)用于磁耦合諧振式方案設(shè)計(jì)中，同樣適用于感應(yīng)式的設(shè)計(jì)，雖然應(yīng)用廣泛，但是當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈分布位置不確定時(shí)，求解計(jì)算復(fù)雜。1.4.2關(guān)鍵技術(shù)高頻諧振逆變技術(shù)逆變器是磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，它的作用是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榇偈咕€(xiàn)圈工作的高頻率的交流電。自八十年代起，大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)始蓬勃發(fā)展，諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)可以使得相關(guān)器件的損失降到最低[[]楊唐純.無(wú)線(xiàn)感應(yīng)充電模塊的研制[D].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.DOI:10.7666/d.D265490.][]楊唐純.無(wú)線(xiàn)感應(yīng)充電模塊的研制[D].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.DOI:10.7666/d.D265490.逆變分為全橋逆變和半橋逆變，全橋的工作原理是4個(gè)驅(qū)動(dòng)管相繼工作在正弦波的1/2Π區(qū)間，而另一個(gè)是2個(gè)交替工作。相較于半橋形式的逆變器，全橋形式的逆變器的開(kāi)始工作時(shí)的電流縮小了一半，更適用于大功率器件的情況。在全橋形式的逆變器中，為實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣相隔，獲取適當(dāng)?shù)碾妷狠敵龇?，通常?huì)選擇在輸出端口裝一個(gè)交流式的變壓器。頻率跟蹤和控制技術(shù)磁耦合的諧振式的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的工作的頻率通常都比較高，在KHz到MHz的范圍內(nèi)，所以頻率對(duì)于系統(tǒng)的傳輸性能影響較大。本系統(tǒng)利用了頻率追蹤技術(shù)，使電源的輸出頻率等于諧振器的頻率，以此達(dá)到優(yōu)良的傳輸性能。該技術(shù)通過(guò)檢測(cè)高頻逆變電源處的電壓與電流，對(duì)工作頻率進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，確保電路處于諧振狀態(tài)[[32]黃學(xué)良,王維,譚林林.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究動(dòng)態(tài)與應(yīng)用展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(002):2-14,141.]。[32]黃學(xué)良,王維,譚林林.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究動(dòng)態(tài)與應(yīng)用展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(002):2-14,141.該技術(shù)就是通過(guò)捕捉發(fā)射端或是接收端的諧振器的電流頻率，從而決定電源的輸出頻率的大小。一般形式的頻率跟蹤為封閉環(huán)路形式的電路，利用鎖相環(huán)可以直接獲取相關(guān)信號(hào)的工作時(shí)的頻率，傳送給高頻逆變模塊的動(dòng)力單元中，進(jìn)而進(jìn)行頻率跟蹤。如果諧振器自己的諧振的頻率改變時(shí)，需要在發(fā)射諧振端加一個(gè)電容陣列用于調(diào)整諧振頻率。1.4.3工作原理這個(gè)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是使發(fā)送電路和接收電路產(chǎn)生共振。發(fā)送器的電容和電感并聯(lián)形成諧振發(fā)射電路，輻射非輻射交流磁場(chǎng)。接收端使用相同的電容和電感形成共振接收電路。當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率等于接收電路的頻率時(shí)，系統(tǒng)諧振。兩個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合共振，產(chǎn)生高頻交流磁場(chǎng)。接收線(xiàn)圈從磁場(chǎng)接收能量，產(chǎn)生感應(yīng)電流，達(dá)到非接觸能量傳輸?shù)哪康?。?dāng)兩個(gè)線(xiàn)圈處于耦合諧振狀態(tài)時(shí)，回路存在最大電壓和最大輸出功率，系統(tǒng)整體的能量傳輸效率最高。諧振的頻率由電感和電容的值決定：f=1/(2πLC)。磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的一般組成如圖2-13所示：電容電容電容電容直流直流高頻電流高頻電流直流電源高頻激磁電路負(fù)載電路高頻整流發(fā)送線(xiàn)圈接收線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)裝置磁耦合諧振部分能量接收反饋及控制部分耦合磁場(chǎng)圖2-13磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的一般組成磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置主要包括：磁耦合諧振部分主要由發(fā)送線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈以及電容組成，他們構(gòu)成了諧振體。發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈式電磁的耦合媒介，通過(guò)耦合可以將能量傳遞出去。發(fā)射線(xiàn)圈增加反饋裝置，用于捕獲其工作，經(jīng)過(guò)特定操作之后得到與發(fā)射線(xiàn)圈頻率同樣的信號(hào)，利用該信號(hào)去操控全橋，實(shí)現(xiàn)自激。磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)源主要由電源和高頻激磁電路構(gòu)成。磁耦合諧振的頻率約為300khz-30mhz，是電磁場(chǎng)的中高頻部分。驅(qū)動(dòng)電路放大控制信號(hào)，促使全橋逆變，獲得高頻交流電，最終使得兩線(xiàn)圈產(chǎn)生諧振磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)功率傳送的目的。能量接收和負(fù)載電路采用無(wú)線(xiàn)電力傳輸方式時(shí)，通常工作在高頻環(huán)境中，需要對(duì)高頻電流進(jìn)行特定變換，之后再傳遞給負(fù)載。當(dāng)連接負(fù)載時(shí)，諧振部分會(huì)產(chǎn)生對(duì)傳輸有一定干擾的耦合效應(yīng)1.4.4電池分類(lèi)目前，我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)主要使用蓄電池供能，常用蓄電池分為三類(lèi)：鉛酸電池、鎳氫/鎘電池、鋰離子電池。表2-1為三種常見(jiàn)蓄電池的性能比較[[]胡桂華.鋰電動(dòng)自行車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].浙江:杭州電子科技大學(xué),[]胡桂華.鋰電動(dòng)自行車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].浙江:杭州電子科技大學(xué),2013.表2-3常見(jiàn)蓄電池的性能比較由