學術講座之無線電力傳輸技術2

1、1無線電力傳輸技術無線電力傳輸技術 任晶鼎任晶鼎 2015年9月21日待解決的問題待解決的問題 電磁輻射安全安全問題電磁兼容兼容問題系統(tǒng)整體性能性能的提高產(chǎn)品推廣中的標準標準統(tǒng)一電力公司如何計費、收費電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 傳統(tǒng)供電傳統(tǒng)供電：傳輸路徑上，能量可控。無線通訊無線通訊：微小功率。無線電力傳輸無線電力傳輸：路徑上能量不易控；能量功率較大。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 危害機理危害機理：熱效應熱效應：人體是導體，接受電磁波而產(chǎn)生渦流，發(fā)熱。非熱效應非熱效應：人體組織和器官存在微弱電磁場，受電磁波而破壞平衡，影響人體機能。積累效應積累效應：高能電磁輻射造成的危害未來得及自我

2、修復之前再次受到輻射，傷害程度就會積累。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 高能量的能量密度勢必會對人身安全及健康帶來影響。 如：地磁場50-60T，核磁共振0.5-4T；陽光的功率密度一般為100mW/cm2。所以采用無線輸電時要考慮避免對人身的傷害。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁感應短程傳輸電磁感應短程傳輸?shù)皖l磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場的強度。會增加電能的消耗；可能會導致附近使用磁信號來記錄信息的設備失效。 電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁耦合共振中程傳輸電磁耦合共振中程傳輸“中程”距離：可達感應線圈半徑8倍的距離。發(fā)射裝置與能量源相連，并

3、不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，在發(fā)射線圈周圍形成一個非輻射非輻射磁場磁場，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場；當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁耦合共振中程傳輸電磁耦合共振中程傳輸能量的傳輸是在一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進行，對系統(tǒng)外的物體（非共振頻率）不會產(chǎn)生影響。一般情況，其磁場強度與地磁場相似， 50-60T電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 微波微波/激光遠程傳輸激光遠程傳輸無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越??；電力通過

4、振蕩器變換成微波/激光電力，從送電的天線向遠處以微波/激光形式無線送電；接收天線由半波長的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收微波/激光并轉(zhuǎn)為直流電力。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 微波微波/激光遠程傳輸激光遠程傳輸微波：頻率為300MHz300GHz的電磁波 ；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云層。激光：3.846*10(14)Hz到7.895*10(14)Hz。障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換，穿越云層能量損耗大。在接收整流天線口徑面以外的區(qū)域口徑面以外的區(qū)域基本都是符合輻射安全標準的，在接收天線口徑面內(nèi)口徑面內(nèi)的輻射相對較

5、強，需要在接收系統(tǒng)外圍建立保護禁區(qū)。目前一般采用的微波功率密度約為5mW/cm2電磁兼容問題電磁兼容問題 無線能量傳輸系統(tǒng)在工作時周圍空間會存在高頻電磁場，這無線能量傳輸系統(tǒng)在工作時周圍空間會存在高頻電磁場，這就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標。就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標。電磁兼容性問題三個因素：電磁干擾源；電磁干擾源；耦合途徑；耦合途徑；敏感設備敏感設備。從這三個因素入手，對癥下藥，消除其中某一個因素，就能解決電磁兼容問題。因此采取有效的抗干擾措施抗干擾措施、屏蔽技術屏蔽技術、合理使用電磁波不同的頻段合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉避免交叉、重疊重疊等造成不必要的電磁干擾。微波

6、電磁兼容問題微波電磁兼容問題微波：頻率為300MHz300GHz的電磁波 ；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，這兩個頻率已經(jīng)分配給ITUR無線廣播、工業(yè)和醫(yī)學當中使用。同頻率間的電磁干擾是必須考慮的。同頻率間的電磁干擾是必須考慮的。電磁兼容問題電磁兼容問題 整體性能的提高整體性能的提高 電磁感應式電磁感應式：包括輸入整流輸入整流、高頻逆變高頻逆變、可分離變壓器可分離變壓器和輸出整流輸出整流濾波等環(huán)節(jié)?？煞蛛x變壓器按其原邊與副邊的相對運動狀況又可分為：靜止、旋轉(zhuǎn)和相對運動三種形式。整體性能的提高整體性能的提高 電磁感應式電磁感應式：滿足要求的前提下，縮短傳輸距離縮短傳

7、輸距離，提高效率；提高原邊與副邊的橫向位置精確度位置精確度；避免金屬異物避免金屬異物進入傳輸線圈之間引起局部發(fā)熱現(xiàn)象。整體性能的提高整體性能的提高 電磁耦合共振式電磁耦合共振式：由RF電路產(chǎn)生與諧振線圈固有頻率相同的高頻正弦信號，經(jīng)過線性功率放大之后，注入到發(fā)送端LC諧振線圈，經(jīng)過非輻射性高頻磁場耦合，能量傳遞到接收端諧振線圈，經(jīng)過輸出整流濾波之后為負載供給能量。整體性能的提高整體性能的提高 電磁耦合共振式電磁耦合共振式：傳輸距離一般為8倍線圈距離?？s小銅線圈縮小銅線圈；增大傳輸距離增大傳輸距離。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式：系統(tǒng)先把電能轉(zhuǎn)換成微波（采用的典型頻率約為2.4GHZ

8、），經(jīng)過發(fā)射天線將能量由自由空間傳遞到接收天線,再經(jīng)過微波整流器件,把微波轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)無線能量傳輸。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式：高性能天線；微波源；微波接收整流設備。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-高性能天線高性能天線：高方向性天線-八木天線；整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-高性能天線高性能天線：高方向性天線-反射面天線；整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-微波源微波源：微波電子管在高電壓下可以放大較高功率的微波，具有較高的效率（70%）；半導體放大器通常只放大低功率微波，其所需要的電壓也比較低，然而它的成本卻較高。整體性能的提高整體性能

9、的提高 微波式微波式-整流設備整流設備：硅整流二極管天線硅整流二極管天線：由一個天線及高頻整流電路所構成，高頻整流電路能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘柦?jīng)由肖特基二極管整流成直流電源。如：一個微波吸收效率為85%的硅整流二極管天線，其覆蓋直徑為5km。產(chǎn)品標準的統(tǒng)一產(chǎn)品標準的統(tǒng)一 Qi標準標準產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景 設備使用的充電器千差萬別，電源插口形式、設備插口形式、電壓等級、電流容量均存在較大差異，因此往往每臺設備都配有專用的電源轉(zhuǎn)換器，這既產(chǎn)生了極大的浪費和污染。 一個充電設備可供各種不同企業(yè)、不同品牌的便攜終端充電，Qi應運而來。產(chǎn)品標準的統(tǒng)一產(chǎn)品標準的統(tǒng)一 Qi 標準與無線充電聯(lián)盟標準與無線充電聯(lián)盟2008

10、年12 月17 日多家國際電子設備廠商聯(lián)合成立了無了無線充電聯(lián)盟線充電聯(lián)盟（WPC），目標是制定一種在便攜式電子產(chǎn)品-手機、電腦配件、照相機、遙控器、醫(yī)療及個人護理等各種電子設備中廣泛采用的無線充電技術標準無線充電技術標準，即Qi 標準。該標準于2010 年7 月制訂，2010 年8 月31 日無線充電聯(lián)盟宣布已向其成員交付了Qi 標準的第一部分，并將該標準引入了中國。產(chǎn)品標準的統(tǒng)一產(chǎn)品標準的統(tǒng)一 Qi 標準的組成及基本原理標準的組成及基本原理目前WPC 確定的Qi 標準1.0 版本是低功率技術規(guī)范，針對不超過5 瓦特的電子設備。針對不超過120 瓦特的中等功率技術規(guī)范制定工作也已于2010 年10 月啟動。第一部分對無線充電器及接收器的界面界面進行定義；第二部分和第三部分是對產(chǎn)品的表現(xiàn)要求和認證測表現(xiàn)要求和認證測試試的要求。只有獲得認證的產(chǎn)品才能允許使用Qi 標識。產(chǎn)品標準的統(tǒng)一產(chǎn)品標準的統(tǒng)一 Qi 標準的組成及基本原理標準的組成及基本原理Qi 標準下的無線充電設備包括：可接公共電源的無線充電板；符合Qi 標準的接收器。后者