本論文主要研究供電容式無線充電使使用的像素化極板結構的特性，探討雙極電容耦合式極板在沿x方向位移、y方向位移以及沿平行軸心旋轉正負90度時面臨的問題，包括像素化電極板的有效耦合面積低落及各個區域的有效耦合面積不穩定等問題。本論文所設計的像素化電容式無線充電極板包含黑、白及空缺三種像素，而三種像素的比例則因應不同極板功能特徵的納入作不同改變。
    研究過程使用三元離散粒子群優化法(T-D-PSO)，來解決人工無法辦到的金屬像素分布的最佳化設計，本論文也利用四層板實做一優化後的像素化電極板，並進行實驗量測，驗證其電壓的變動趨勢和模擬的區域分數變動趨勢，實驗結果顯示兩者具有一致性。
    針對某一像素化電極板結構尺寸為例，本論文對最佳化過程所採用的適應值函數中的各個分項進行分析，包含了區域分數，以最大最小偏差或標準偏差來當作適應值的差別，以及納入規一化黑白偏差與擺放角度間的偏差等，也探究調整各分項的權重比例常數之影響，並對其結果及各分項所占適應值總分比例進行研究。最後，找出具90度旋轉置放設計的最佳化金屬像素分布。

This thesis studies the characteristics of the pixelated plate structure for capacitive wireless charging, and addresses the problems faced by the bipolar capacitive coupling plates when it is displaced in the x-direction, the y-direction and/or rotated by plus or minus 90 degrees along the axis. The addressed problems include the low effective coupling area of the pixelated electrode plates and the unstable effective coupling area for different displacements. The pixelated capacitive wireless charging plate designed in this thesis contains three types of pixels: black, white and vacant. The ratio of the three types of pixels is changed accordingly due to the inclusion of different plate features.
During the course of research a ternary discrete particle swarm optimization method (TD-PSO) is employed to solve the optimization design problem for the metal pixel distribution, which otherwise cannot be realized manually. A pair of optimized pixelated electrode plates is fabricated using a four-layer printed circuit board. The experimental measurement is carried out to verify the variation trend of the measured voltages and the simulated regional scores (corresponding the effective coupling area for different displacements). It is found that the measured results compare quite well with the simulated ones.
For a given size of pixelized electrode plate structure, this thesis analyzes the various terms in the fitness function used in the optimization process, which include the area score, the maxi_min deviation, standard deviation, the normalized deviation between the black and white contributions, and the normalized deviation due to four placement angles, etc. This thesis also studies the influence of adjusting the weighting coefficient of each term, and explores the results of the proportion of each term to the total fitness. Finally, the optimal metal pixel distribution with a 90-degree rotation placement design is revealed.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	III
目錄	V
圖目錄	VI
表目錄	IX
第一章 序論	1
1.1研究背景	1
1.2研究目的	1
1.3論文架構	2
第二章 無線充電技術	3
2.1 無線充電的分類及原理	3
2.1.1磁感應技術	3
2.1.2磁共振技術	4
2.1.3電場耦合技術	6
2.2 磁屏蔽效應及三種WPT的位準敏感度	7
2.3 像素化電極板	11
第三章 粒子群優化演算法	15
3.1連續型粒子群優化法	15
3.2離散型粒子群優化法	18
3.2.1以B-PSO最佳化二元像素化極板	20
3.2.2引進空缺像素及Tristate-D-PSO	22
3.2.3 像素化極板之適應值	24
3.3 對次極板在初極板上的移動範圍進行限縮	30
第四章 像素化電容式無線充電板之實作、驗證及改良	34
4.1 像素化極板之結構	34
4.2像素化極板之驗證	39
4.3 像素化WPT半像素時的充電穩定性討論	44
4.4 將適應函數值納入黑白偏差	46
4.5 權重比例常數之設定	50
4.6 具±90°旋轉放置設計	57
第五章 結論	72
參考文獻	74
 
圖目錄
圖2.1、電磁感應WPT示意圖[6]	3
圖2.2、線圈陣列無線充電板[7]	4
圖2.3、磁共振WPT等效電路圖[8]	5
圖2.4、雙極耦合示意圖[10]	6
圖2.5、單極耦合示意圖[10]	7
圖2.6、三種WPT耦合係數與Z方向位移偏離程度關係圖[11]	8
圖2.7、三種WPT耦合係數與X方向位移偏離程度關係圖[11]	8
圖2.8、三種WPT耦合係數與Y方向位移偏離程度關係圖[11]	9
圖2.9、三種WPT耦合係數與軸心偏轉角度關係圖[11]	9
圖2.10、文獻[12]中像素化電容式無線充電板示意圖[12]	12
圖2.11、像素化極板產品示意圖	13
圖3.1、粒子移動示意圖[15]	17
圖3.2、更新函式之三種情境示意圖[17]	18
圖3.3、以PSO最佳化像素化極板流程圖	21
圖3.4、像素化極板在不同位置的區域分數示意圖	25
圖3.5、巨大正值&負值示意圖	26
圖3.6、將區域分數取絕對值進行最佳化的分數分布	27
圖3.7、次極板位於正負分數之間的耦合效果示意圖	27
圖3.8、常態分布下標準差與數值所佔比例關係圖	29
圖3.9、以T-D-PSO最佳化之像素化極板像素分布圖	31
圖3.10、以T-D-PSO最佳化之像素化極板區域分數S的分布圖	31
圖3.11、限縮次極板移動範圍後的總分與偏差變化圖	32
圖4.1、像素化極板剖面示意圖	35
圖4.2、像素極板大小示意圖	36
圖4.3、像素化極板結構透視圖	36
圖4.4、欲實作之像素化極板像素分布圖	37
圖4.5、欲實作之像素化極板區域分數S的分布圖	37
圖4.6、欲實作之像素化極板在各限縮範圍下的總分及偏差	38
圖4.7、Cadence Allegro上的像素化極板	38
圖4.8、像素化極板之成品	39
圖4.9、訊號產生器	40
圖4.10、示波器	40
圖4.11、測量像素化WPT充電穩定性的等效電路圖(其中f=500Hz)	40
圖4.12、次極板進行垂直移動時的感應電壓與區域分數關係圖   @x=-9	42
圖4.13、次極板進行垂直移動時的感應電壓與區域分數關係圖   @ x =-5	42
圖4.14、次極板進行垂直移動時的感應電壓與區域分數關係圖   @ x =0	43
圖4.15、次極板進行垂直移動時的感應電壓與區域分數關係圖     @ x =5	43
圖4.16、次極板進行垂直移動時的感應電壓與區域分數關係圖     @ x =9	43
圖4.17、半像素時的理想充電效率示意圖	44
圖4.18、由中心點每次橫向偏移0.25mm，共紀錄20個點的感應電壓變化圖	45
圖4.19、由中心點每次斜向偏移0.35mm，共紀錄20個點的感應電壓變化圖	45
圖4.20、像素化WPT等效電路圖(R代表待充電裝置)	46
圖4.21、黑白像素得分比例不平均的瞬間充電情形	47
圖4.22、黑白像素得分比例平均的瞬間充電情形	48
圖4.23、A=0.1、B=1、C=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	51
圖4.24、A=0.4、B=1、C=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	52
圖4.25、A=0.5、B=1、C=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	52
圖4.26、A=1、B=1、C=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	52
圖4.27、A=0.5、B=1、C=0的像素化WPT黑白像素分布圖	54
圖4.28、A=0.5、B=1、C=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	54
圖4.29、A=0.5、B=1、C=0.22的權重分析圖(左半為a；右半為b)	55
圖4.30、A=0.5、B=1、C=0.23的權重分析圖(左半為a；右半為b)	55
圖4.31、A=0.5、B=1、C=1的權重分析圖(左半為a；右半為b)	55
圖4.32、A=0.5、B=1、C=0.22的像素化WPT黑白像素分布圖	56
圖4.33、A=0.5、B=1、C=0.23的像素化WPT黑白像素分布圖	57
圖4.34、四種次極板的擺放角度示意圖	58
圖4.35、A=0.5、B=1、C=0、E=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	59
圖4.36、A=0.6、B=1、C=0、E=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	59
圖4.37、A=0.7、B=1、C=0、E=0的權重分析圖(左半為a；右半為b)	60
圖4.38、A=0.6、B=1、C=0、E=0.1的權重分析圖(左半為a；右半為b )	60
圖4.39、A=0.6、B=1、C=0.1、E=0.1的權重分析圖(左半為a；右半為b)	61
圖4.40、A=0.6、B=1、C=0.11、E=0.1的權重分析圖(左半為a；右半為b)	61
圖4.41、A=0.6、B=1、C=0.12、E=0.1的權重分析圖(左半為a；右半為b )	62
圖4.42、圖4.40的像素化極板像素分布圖	63
圖4.43 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=-9	63
圖4.44 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=-5	64
圖4.45 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=0	64
圖4.46 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=5	64
圖4.47 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=9	65
圖4.48 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=-9	65
圖4.49 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=-5	66
圖4.50 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=0	66
圖4.51 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=5	66
圖4.52 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=9	67
圖4.53 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=-9	67
圖4.54 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=-5	68
圖4.55 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=0	68
圖4.56 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=5	68
圖4.57 次極板進行垂直移動時的區域分數變化圖@x=9	69
圖4.58 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=-9	69
圖4.59 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=-5	70
圖4.60 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=0	70
圖4.61 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=5	70
圖4.62 次極板進行垂直移動時的黑白分差變化圖@x=9	71
 
表目錄

表一、像素化極板的不同像素對應對區域分數的貢獻值列表	24

參考文獻
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