前沿科技無線充電報告課題

1、電場耦合式無線充電技術簡介 前沿科技報告 報告人： 學 號： 2016.12.13 報告提綱 無線充電發(fā)展歷史 無線充電的原理 電場耦合式無線充電技術 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 無線充電的應用 ?無線充電的發(fā)展歷史 1.19世紀30年代，法拉第發(fā)現(xiàn)周圍磁場的變化將在電線中產(chǎn)生電流； 2.19世紀90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的物理學家特斯拉提出了無線電力傳輸?shù)臉嬒耄?3.香港城市大學電子工程學系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”，需要產(chǎn)品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理 4.2007年，美國麻省理工學院的馬林索爾賈?？耍∕arin Soljacic）等人在無

2、線傳輸電力方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡 5.2008年12月17日，無線充電聯(lián)盟（Wireless Power consortium）成立，其使命是為了創(chuàng)造和促進市場廣泛采用與所有可再充電電子設備兼容的國際無線充電標準Qi 6.2010年9月1日，全球首個推動無線充電技術的標準化組織無線充電聯(lián)盟，在北京宣布將Qi無線充電國際標準率先引入中國 報告提綱 無線充電發(fā)展歷史 無線充電的原理 電場耦合式無線充電技術 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 無線充電的應用 ?無線充電原理電磁感應式充電 1、電磁感應式充電 初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈

3、中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端 無線充電原理磁共振式充電 2、磁共振式充電 由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個無線充電技術裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic 帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為WiTricity。 無線充電原理無線電波式充電 3、無線電波式充電 這是發(fā)展較為成熟的技術，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調(diào)整的同時保持

4、穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器 無線充電原理電場耦合式充電 4、電場耦合式充電 充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產(chǎn)生的感應電場來供電的。 8 無線充電原理各種方案對比 報告提綱 無線充電發(fā)展歷史 無線充電的原理 電場耦合式無線充電技術 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 無線充電的應用 ?電場耦合式無線充電技術 電容式無線能量傳輸（CPT）：一個典型的電場耦合無線能量傳輸系統(tǒng)極板結(jié)構如圖 所示 通過電感L

5、s和耦合電容Cs1和Cs2的諧振，提高耦合電容上的電壓，從而在較小的耦合電容上產(chǎn)生較大位移電流，實現(xiàn)能量的傳遞電感Ls和電容Cs1和Cs2之間的諧振，還可以補償電力電子變換器的無功，提高變換器的工作效率。 電場耦合式無線充電技術 CPT系統(tǒng)結(jié)構圖 一個較為具體的CPT 系統(tǒng)如圖 所示，主要包括供電直流電源、高頻逆變電路、耦合機構、補償網(wǎng)絡和整流濾波電路五個部分 CPT 系統(tǒng)的耦合電容較小，需要在高頻下進行能量傳輸 直流電在高頻逆變電路中轉(zhuǎn)為高頻交流電 補償電感主要作用是降低逆變器輸出無功功率，并通過諧振提高極板間電壓，同時實現(xiàn)軟開關 發(fā)射板在高壓、高頻交流電作用下，與接收板產(chǎn)生互交電場，形成位

6、移電流，實現(xiàn)能量的傳遞 電場耦合式無線充電技術 耦合方式耦合方式 磁耦合 傳輸距離遠、功率大 電場耦合 1、降低發(fā)射成本 2、損耗小 3、渦流損耗小 對比方式對比方式 優(yōu)點 缺點 增加系統(tǒng)成本，使用高頻大部分研究集中于小功率鐵氧體材料對磁場進行引和小距離( 毫米及以下距導，增加重量，帶來損耗， 離) ，大功率中 泄露磁場的存在引起傳輸遠距離的研究和應用還很效率下降 少 研究較多 1、耦合結(jié)構設計 2、補償網(wǎng)絡頻率特性分析 3、電力電子能轉(zhuǎn)換技術 研究人員均認為電場耦 合方式無法進行大功率遠距離的無線電能傳輸， 忽視了對電場耦合方式的深入研究，并沒有完全 發(fā)揮該技術的優(yōu)勢 研究內(nèi)容 電場耦合式無

7、線充電技術 電場和磁場耦合方式的傳輸功率、效率、距離統(tǒng)計 2015 年末，美國密西根大學在CPT 領域的研究出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍 除了輕薄的發(fā)射接收極板、直流到直流90%以上的能量傳輸效率，在水平偏移距離為極板尺寸1 /2 時，無需調(diào)節(jié)開關頻率和補償網(wǎng)絡參數(shù)，傳輸功率可維持在無偏移時的90%以上，并且效率仍達到90%以上，對位置的偏移具有極強的魯棒性 電場耦合式無線充電技術 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 如何實現(xiàn)電力電 子變換器的軟開關 電容耦合機構的設計 補償網(wǎng)絡的分析與優(yōu)化 電場耦合傳遞功率同諧振頻率成正比，由于E 類放大器工作頻率高，可實現(xiàn)零電壓開關基于E 類放大器的CPT 諧振網(wǎng)絡設計和調(diào)諧

8、、E 類放大器的軟開關條件等成為了一個研究的方向而對于半橋和全橋逆變器，其軟開關實現(xiàn)條件和范圍更為簡明，將電路調(diào)諧至感性區(qū)域即可實現(xiàn)ZVS 增大耦合電容 增加偏移差 1、2012英國布魯內(nèi)爾大學以耦合電容發(fā)射端的電壓電流相位為優(yōu)化條件，有效降低了補償網(wǎng)絡和耦合電容的無功 2、2015 年美國密西根大學Chris Mi 教授，在其提出的磁場耦合雙邊LCC 補償網(wǎng)絡的基礎上通過對偶提出了電場耦合的雙邊LCLC 補償網(wǎng)絡，在等效耦合電容僅有18 pF 的情況下，實現(xiàn)了2. 4 kW，150 300 mm 距離的無線能量傳輸，效率達到90% 3、美國威斯康辛大學優(yōu)化設計了基于單管ZVS 變換器的CPT

9、 系統(tǒng)，實現(xiàn)了千瓦等級的功率傳輸，其耦合電容大小為24 nF 報告提綱 無線充電發(fā)展歷史 無線充電的原理 電場耦合式無線充電技術 電場耦合式無線充電技術的瓶頸無線充電的應用 ? ?電場耦合式無線充電技術的瓶頸 一、雜散電容問題 對電容極板周圍的環(huán)境因素考慮較少， 這使得在中遠距離無線電能的傳輸應用中存在一定的問題 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 二、補償網(wǎng)絡的評價與優(yōu)化 尚未有研究從電場耦合的能量傳輸機理進行分析， 補償網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化的評價指標不明確， 難以在相關指標的指導下設計和優(yōu)化補償網(wǎng)絡來提高傳輸功率和效率。 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 二、補償網(wǎng)絡的評價與優(yōu)化 補償網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化需

10、要考慮的三個關鍵因素: a) 電源的功率因數(shù) b) 耦合電場的功率因數(shù) c) 耦合電容的無功因數(shù) 高效的大功率電場耦合傳輸， 其補償網(wǎng)絡應該滿足如下三個條件: 補償電源無功，實現(xiàn)電源的高功率因數(shù); 實現(xiàn)耦合電場的高功率因數(shù); 要能夠調(diào)諧耦合電容兩端電壓，使其幅值盡量相等，從而減少耦合電容無功功率 電場耦合式無線充電技術的瓶頸 三、電磁輻射問題 相比于磁場， 耦合電場主要集中在電容極板之間， 周圍空間泄露電場可通過增加屏蔽來降低。 a)一方面應做到泄露電場強度處于安全限值之下; b)另一方面， 對于中遠距離的傳輸， 可研究異物檢測方法， 及時對非正常工作狀況下進入高電場強度區(qū)域的生物體進行判斷

11、報告提綱 無線充電發(fā)展歷史 無線充電的原理 電場耦合式無線充電技術 電場耦合式無線充電技術的瓶頸無線充電的應用 ? ?無線充電的應用 在軌道交通中研究進展 無線充電的應用 在軌道交通中研究進展 參考文獻 1 李思奇,代維菊,趙晗,帥春燕. 電場耦合式無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展與應用J. 昆明理工大學學報,2016,03:76-84. 2 麥瑞坤,李勇,何正友,楊鳴凱,陸立文,劉野然,陳陽,林天仁,徐丹露. 無線電能傳輸技術及其在軌道交通中研究進展J. 西南交通大學學,2016,03:446-461. 3 Lu F , Zhang H , Hofmann H，et alA Double -Sided L

12、CLC-Compensated Capacitive Power Transfer System for Electric Vehicle Charging J. Power Electronics，IEEE Transactions on 2015,30(11): 6011-6014 4 Lu F，Zhang H，Hofmann H，et al An Inductive and Capacitive Combined Wireless Power Transfer System with LC-Compensated Topology J. IEEE Transactions on Power Electronics,2016, 99:1 5 Zhang H，Lu F，Hofmann H，et al A 4 -Plate Compact C