论文题目：磁谐振式无线电能传输系统电磁环境与生物电磁曝露若干问题研究
摘要：随着人类文明从“蒸汽时代”、“电气时代”到“信息时代”的不断发展,钢铁、机械、能源、化工等重工业迅速兴起,全球范围内的信息和资源交互也变得更加便捷,人类发展进入了空前繁荣的时期,而随之而来的全球能源的迅速消耗使得能源危机和生态危机的问题日益彰显,对此,能源结构正向更加清洁和更加低碳的形式转型。新一代综合能源电力系统基于互联网理念,深度融合了电力系统领域柔性输配电、远程监测与诊断等多种高新技术以及“大数据”、“云计算”等先进技术,充分利用多能源系统的互补特性,以氢气（天然气）、热力和电动汽车（EV）等作为新型储能媒介,打通电力和天然气网络、热力网络以及交通网络之间能源转换通道,通过能源相互转换、网络互联、信息交互和协调控制,实现降低化石能源消耗、减小碳排放、提高能源综合利用效率的目的。无线电能传输（WPT）技术可以让电动汽车摆脱充电线缆的束缚以提高与新一代能源系统互动灵活性,可以对能源系统中广泛分布的各类传感器供能以降低维护成本,除此之外,随着生产生活电气化、信息化、智能化进一步提升,WPT技术在家电与消费电子、植入式医疗设备、工业自动化设备、无人机、无人水下航行器、物联网、无线传感网络等方面的巨大应用潜能正被逐渐发掘。无线电能传输技术作为电气工程领域最受关注的焦点之一正在助力新一轮技术革命的发展,改变人类生产生活的方式。随着WPT技术的迅速发展,系统的传输功率、传输效率、传输距离等工作性能指标都发展到满足一般应用需求,在规模化推广应用之前其电磁安全必须达到标准要求。特别是在电动汽车等大功率应用场景以及家电与消费电子等长时间曝露场景,电磁环境问题在依靠磁场耦合进行能量传输的WPT系统里变得尤为突出。然而,国内外在WPT技术电磁环境方面的研究还没有得到足够重视,对WPT技术电磁环境的研究还面临一些瓶颈:没有合理的统一评价指标、没有安全便捷且快速准确分析人体电磁曝露的方法、对电磁环境的优化缺少系统化的方法。针对WPT系统电磁环境研究面临的主要问题,论文围绕无线电能传输系统电磁环境的分析、测量、评估、优化等方面展开研究,主要包括:1)谐振式无线电能传输系统人体电磁曝露分析方法研究。建立了可以根据分析精度要求、关注重点而调整的按需减面（On-Demand Polygon Reduction,OPDR）精密人体解剖模型。将WPT系统与应用环境等效为一个二端口网络,利用场路结合的方法进行考虑生物体的复杂环境下WPT系统电磁环境与人体电磁曝露的快速分析。2)谐振式无线电能传输系统电磁环境实验研究。搭建了谐振式无线电能传输系统电磁环境试验平台,用实验的方法研究了无线电能传输系统的电磁环境的特征,验证了场路结合的电磁环境数值分析方法的准确性。进行电磁环境相关的基础试验研究,初步得出谐振式无线电能传输系统电磁环境的特征、人体电磁场曝露规律以及电磁环境优化方法,为后续的研究提供参考和依据。3)谐振式无线电能传输系统人体电磁曝露评估方法研究。结合无线电能传输技术特点以及系统与生物体的耦合机制选取合适的电磁场评价指标,依据计算机分析出的WPT系统场强分布可以有效指导场强的测量位置的选择,重点在强场区和人体常处的位置布点测量,通过不断修正模型将计算机分析结果与测量得到的场强值偏差控制在合理范围。当场强超过相关标准限值时,使用计算机分析出的人体模型的体内感应电场、SAR值进行准确合理的无活体WPT系统人体电磁曝露安全评估（Ex Vivo Assessment Method,EVAM）。研究了某些特殊的应用场合,部分指标不能反映人体可能遭受的真实伤害,所选指标需要全部满足而不被超越。4)谐振式无线电能传输系统电磁环境优化设计与方案综合评估研究。从电磁骚扰源、耦合路径、敏感设备三个方面讨论无线电能传输系统的电磁环境优化问题,并且研究了相应可行的电磁环境调控方案。深入研究了不同调控方案的电磁环境调控能力以及对系统性能的影响,通过算例综合考虑电磁环境调控能力和系统特性进行方案优劣评估。通过论文的研究,获得合理的WPT电磁环境的测量与评估方法,对无线电能传输领域相关测量或评估标准的完善有重大支撑作用,在优化系统电磁环境时也有很大指导意义。对WPT系统电磁环境调控方案的综合评估,有利于高性能、高安全的WPT系统设计。研究成果可以进一步促进WPT技术在各个领域的推广应用。
关键词：无线电能传输;谐振;电磁场;按需多边形减面;无活体评估法;人体曝露;电磁兼容
学科专业：电工理论与新技术
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 论文的研究背景
1.2 无线电能传输技术的分类
1.2.1 基于机械能传输
1.2.2 基于电磁能传输
1.3 无线电能传输技术的研究进展
1.3.1 国外研究进展
1.3.2 国内研究进展
1.3.3 热点应用进展
1.4 无线电能传输技术的电磁环境
1.4.1 评价指标安全裕度过剩
1.4.2 测量方法不统一
1.4.3 分析模型欠灵活
1.4.4 调控方案无系统
1.5 论文的研究目的及意义
1.6 论文的主要内容
第2章 谐振式无线电能传输系统电磁环境分析与测量方法
2.1 系统传输模型
2.1.1 互感理论模型
2.1.2 耦合模理论模型
2.1.3 二端口理论模型
2.2 系统电磁环境分析方法
2.2.1 解析法分析
2.2.2 数值法分析
2.3 系统与生物体耦合机制
2.4 电磁场测量方法
2.5 本章小结
第3章 谐振式无线电能传输系统电磁环境试验平台
3.1 高频逆变电源
3.1.1 整流电路
3.1.2 逆变电路
3.1.3 驱动电路
3.1.4 调功方案
3.2 谐振线圈
3.3 磁场测量与显示
3.4 平台调试与试验
3.4.1 高频电源调试
3.4.2 高频磁场测量
3.4.3 人体短暂曝露
3.4.4 高次谐波磁场
3.4.5 金属屏蔽效能
3.4.6 磁性材料作用
3.5 本章小结
第4章 谐振式无线电能传输系统人体电磁曝露分析
4.1 数字化人体电磁模型
4.1.1 超精密人体解剖模型
4.1.2 按需模型简化
4.1.3 人体模型电磁参数
4.2 人体电磁曝露参考指标
4.3 人体电磁曝露分析
4.3.1 场路计算模型
4.3.2 泄漏磁场强度
4.3.3 体内感应电场
4.3.4 典型组织SAR
4.3.5 无活体评估法
4.4 人体多频场曝露分析
4.4.1 感应电测试
4.4.2 多频场曝露
4.5 本章小结
第5章 谐振式无线电能传输系统电磁环境优化设计与方案综合评估
5.1 电磁骚扰源治理
5.1.1 三相供电线圈
5.1.2 多输入输出线圈
5.1.3 自相似结构线圈
5.2 耦合路径引导与阻断
5.2.1 非铁磁金属材料
5.2.2 铁磁材料
5.2.3 电磁超材料
5.2.4 屏蔽线圈
5.3 敏感设备防护
5.4 方案综合评估
5.4.1 工作性能
5.4.2 磁场调控能力
5.4.3 方案评估
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 论文的创新性
6.3 后续工作展望
致谢
参考文献