非接觸電能傳輸系統(tǒng)概述

1、非接觸電能傳輸系統(tǒng)概述摘要：電能的當今最主要的能源之一，近年來興起的非接觸電能傳輸供電技術解決了傳統(tǒng)接 觸式供電的一些弊端。本文介紹了非接觸電能傳輸?shù)募夹g背景和國內外的研究現(xiàn)狀，對比了 三種非接觸電能傳輸方法。然后著重介紹目前研究較為深入的感應耦合電能傳輸(nductive Power Transfer, IPT在手機和電動汽車充電領域的最新研究成果和實際應用。最后，文章總結 了非接觸電能傳輸?shù)难芯恳饬x和發(fā)展前景。關鍵詞：非接觸電能傳輸，感應耦合，非接觸供電A Perspective of Wireless Power TransferAbstract： lectrical power is

2、one of the most important power forms nowadays. Recently, wirelesspower supply technique solved many disadvantages arousing in conventional form of powertransfer. The paper introduces the technique background and the achievement of the research inand aboard, and compares three kinds of method to ena

3、ble wireless power transfer. And then,the paper emphasizes the practical application of Inductive Power Transfer (IPT) in the wirelesscharging of mobile phone and electrical vehicle. Finally, the paper draws a conclusion of the vistaof wireless power transfer.Keywords:Wireless Power Transfer, induct

4、ively coupled, contactless power supply1引言電能是傳統(tǒng)石化燃料的主要替代能源，并且在實際應用中電能也是最好的取代和應用的 清潔能源之一。但是電池在目前的技術水平下有兩個個問題無法解決：一是充電時間長；二 是續(xù)航時間短。各行業(yè)寄希望于電池行業(yè)能夠早日實現(xiàn)技術突破，解決掉這兩個技術難題。 然而，電池技術在短時間之內是很難有質的飛躍，所以各用電企業(yè)需要尋找一種現(xiàn)實的解決 方案，其中非接觸充電和供電是其中一個重要的研究方向。為了使移動電子終端及電動汽車用戶擺脫使用充電器充電、更換電池以及接插家電設備 電源線等麻煩。利用無線方式將電能傳輸?shù)剿卯a(chǎn)品的技術即將進入實

5、際應用階段。其中， 非接觸式充電，是一種只要將電子產(chǎn)品放在充電臺上就能充電的技術。實現(xiàn)非接觸充電的技 術主要有三種形式：1、感應耦合型；2、無線電接收型；3、共振型。目前，感應耦合技術已經(jīng)在部分領域中得到應用，包括電動剃須刀、電動牙刷、凈水器 和無線電話等。由于這種技術在增大功率等方面不斷取得進展，已經(jīng)應用到手機等出貨量非 常大的電子終端中。近幾年，隨著人們對清潔能源和電動汽車的需求越來越大，國內外的大 學和研究機構紛紛開始著手研究電動汽車方便、快捷、高效充電的方法，已取得一定的成果。另外，共振型非接觸電能傳輸能夠實現(xiàn)遠距離、大功率的電能傳輸，可以應用于電子終 端、電動機車、水下、地下等用電設

6、備的充電和供電，但是目前還停留在研究階段。2非接觸電能傳輸?shù)募夹g背景和研究現(xiàn)狀2.1技術背景近幾年，使用非接觸電能傳輸技術供電的裝置已經(jīng)逐漸實用化，非接觸供電設備逐漸走 進我們的日常生活。目前實現(xiàn)非接觸電能傳輸?shù)幕驹碇饕ㄒ韵氯N：1、電磁感應型(e lectromagnetic induction type)；2、無線電接收型(radio reception type)；3、共振型(resonance type)。電磁感應型即感應耦合型(Inductive Power Transfer , IPT90年代初，奧克蘭大學以BOY 教授為首的課題組對ICPT(Inductively Cou

7、pled Power Transfer)技術進行了系統(tǒng)的研究,經(jīng)過十 多年的努力，該技術在理論和實踐上取得了重大突破，包括有關發(fā)明專利11項1。2001年， 國內開始著手研究，技術成果及產(chǎn)品較少，但進步很快。IPT型功率可達數(shù)千瓦，但是兩個線圈的距離不能超過1cm。目前已經(jīng)有一些產(chǎn)品推向 市場，包括電動牙刷、電動剃須刀、無繩電話和凈水器等小功率，對安全性和抗干擾性能要 求不高的家電產(chǎn)品。無線電接收型功率低，效率低。已經(jīng)研制出微型高效接收電路，可以捕捉無線電波能量， 在變負載情況下也保持穩(wěn)定的直流電壓。利用磁場共振原理解決無線電力傳輸?shù)木嚯x問題是由美國麻省理工學院(MIT)于2007 年提出的。

8、MIT研究小組試制了無線電力傳輸裝置“磁場耦合共振器(magnetically coupled resonators)”，利用一對具備LC電路特性的線圈組成一對天線，直徑有數(shù)十厘米。當其中 一根天線通過幾MHz的交流電時，周圍產(chǎn)生振動磁場，通過共振向位于數(shù)段波長之內的另 一根天線傳輸能量。傳輸距離為2m時效率約為40%，距離為1m時效率約為90%。MIT 研究小組采用磁場共振方式傳遞能量解決了能量散射問題，并把這一技術概念命名為“Witricity”。共振型功率可達數(shù)千瓦，距離可達數(shù)米，但是目前尚處于研究階段。2.2研究現(xiàn)狀目前國內外研究和應用最多的是感應耦合型非接觸電能傳輸。新西蘭在非接觸電

9、能傳輸技術上領先于其他國家，美國、日本緊隨其后。新西蘭(主要 是奧克蘭大學)在非接觸供電理論領域提出了多種有價值的原創(chuàng)電路拓撲，美國則將技術與 應用并重，日本在該領域的實用方面有較大優(yōu)勢。中國申請專利主要是實用新型，原創(chuàng)發(fā)明 較少，德國和荷蘭將非接觸電能傳輸技術用用與交通和電器領域。國內投入精力持續(xù)研究的 單位較少，一般都是實用新型成果，電路拓撲傳輸效率等深層次的研究偏少，缺乏穩(wěn)定、高 效的樣機。目前，電能變換與補償，松散耦合變壓器結構設計是目前的兩個主要研究領域。尚存在 的問題主要包括：1、高頻、大功率條件下能量損耗突出；2、負載及電路參數(shù)變化與電路頻率匹配問題；3、電路智能控制及能量和信號

10、的結合問題；4、松散耦合變壓器理論分析以及使用系統(tǒng)設計等。3三種非接觸電能傳輸方式簡介3.1電磁感應耦合型概述電磁感應型非接觸電能傳輸?shù)脑碇饕且淮蝹染€圈和二次側線圈相鄰數(shù)厘米，在一次 側線圈中施加高頻交流電流，以電磁場作為媒介在二次側線圈感應出電動勢。二次側經(jīng)過整 流濾波穩(wěn)壓，為移動終端供電，從而實現(xiàn)電能傳輸。該技術已經(jīng)逐漸普遍應用于移動終端非 接觸充電，效率可以達到70%以上，但是傳輸距離有限。感應耦合電能傳輸利用變化的磁場耦合，通過一定的氣隙，以非接觸方式將電能傳輸?shù)?負載。相比傳統(tǒng)的導線接觸式電能傳輸，非接觸電能傳輸有一些內在的優(yōu)勢。由于非接觸電 能傳輸是電氣隔離的，所以它可以工作于

11、潮濕環(huán)境中或者其他不方便物理接觸的電能傳輸領 域。另外，相比于傳統(tǒng)的接插式接觸，非接觸電能傳輸不會產(chǎn)生污染物，并且非常可靠，不 需維修。依據(jù)產(chǎn)生磁場的部件不同，感應耦合可以被分為分布式感應耦合和集總式感應耦合4。 分布式感應耦合的一次側線圈是長軌道形式，為移動的二次側線圈充電。集總式感應耦合的 耦合線圈包含兩個線圈平臺，當兩個線圈處于一定距離之內時，這兩個分離的線圈就可以實 現(xiàn)非接觸充電。對于不同的電路拓撲，感應耦合充電的適用功率范圍很大，從幾瓦到幾十千 瓦不等。電磁耦合型發(fā)送器能夠發(fā)送的距離很小，因此在便攜式應用中，基本上還必須用電池， 其主要作用是減少充電時的麻煩。最近電磁感應已經(jīng)被應用與

12、手機登移動終端的充電和電動 汽車的充電。電路拓撲感應耦合型電路拓撲如主要有以下幾種形式,不同的電路拓撲適用于不同的應用領域以 及不同的功率等級。單管歡委管撕卜曰舶s E反激電藉單財率等ift1處w或以村掉挽別均存開關頻率3 MHz 強 t100kHz-l UHz器官虹乎帆把地茫噌囂旭功隼.遙黃行車等電動汽車侍仙崩誼既斗種充電罌特點電群簡甲， 扇率小1-般其用野頻）1式1： 作邱能害 如賴丹的 域球案慎電聘簡中-功奉 較小果山甬F較 小功宰的局合我大璃率成可廣捷圖1是四種常用的電路拓撲形式，包括半橋型、全橋型、推挽式和反激式。(a)(b)(c)(d)圖1. (a)半橋逆變(b )全橋逆變(c)電

13、流推挽(d)反激變換電路拓撲電容補償由于感應耦合使用的松散耦合變壓器的耦合系數(shù)非常低，為了提高功率傳輸能力，通常 在松散耦合的變壓器兩側以并聯(lián)或串聯(lián)的電容作為補償，構成諧振電路。電容補償形式包括 單側補償和兩側補償，分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償兩種形式。圖2副邊均采用并聯(lián)補償，原邊分別采用串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。圖2(a)給出了采用電壓 源的原邊串聯(lián)電容補償電路。這種形式的電路可以以固定頻率工作。與并聯(lián)電容補償電路相 比，這個結構由于諧振電流將流經(jīng)開關管，不宜在一次側產(chǎn)生大電流，因此更適用于原邊線 圈較長和小功率應用。而采用并聯(lián)補償?shù)男问絼t更適合于需要較大原邊電流的情形。圖2(b) 給出采用電壓源的原邊

14、并聯(lián)電容補償電路。一般來說，如果原邊采用并聯(lián)補償電容形式，多 采用電流源輸入。若采用電壓源，在諧振單元前端需增加一個電感。圖2. (a)原邊串聯(lián)補償(b)原邊并聯(lián)補償3.2無線電接收型無線電接收型非接觸電能傳輸?shù)脑碇饕抢锰炀€來發(fā)射和接收無線電波能量，不同 于以往的放大電路，而使用整流濾波電路將無線電波轉化成直流進而應用。無線電接收型距 離較遠，但是傳輸效率和傳輸功率很不理想。電波接收型的最大發(fā)送距離長達10m,但是，能夠接收的功率很小，只有幾mW1000mW。因此，其主要用途是在便攜式終端中提供待 機時消耗的功率。3.3共振型共振型非接觸電能傳輸技術利用電共振或磁共振。其基本原理主要是當

15、振蕩電路（接收 器）中有外加的周期性電動勢作用時，將成為受迫振蕩；當外加電動勢的頻率與電路自由振 蕩的固有頻率相同時，振幅達最大值。接收器端經(jīng)過整流濾波，實現(xiàn)非接觸電能傳輸。在 美國已公開一種利用磁耦合共振器來傳輸電能的技術的專利。關于諧振型無線傳輸電能技術 其電能發(fā)送距離可以達到3m4m，而且，可以發(fā)送高達幾kW的大功率。共振型非接觸電能傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)射器和接收器，通過電磁共振是傳輸?shù)哪芰康淖?大化。電磁感應型非接觸電能傳輸技術的原理如圖3所示。如圖4所示，當元件固有頻率與發(fā)送端發(fā)射頻率接近時產(chǎn)生共振，在特定頻率耦合強度很大。圖4,耦合強度與頻率的關系曲線如圖5所示，當耦合距離達到一定值

16、的時候耦合強度很大，之后隨著距離的增加耦合 強度迅速下降。si圖5.耦合強度與距離的關系曲線4非接觸電能傳輸?shù)膽媚壳?，非接觸電能傳輸平臺的研究主要涉及消費類電子產(chǎn)品等中小功率領域以及電動汽 車等大功率領域。在已有的報道中，應用于手機等電子產(chǎn)品的非接觸充電系統(tǒng)主要以感應耦 合方式為主。近年來，感應耦合已逐步走進電動汽車等大功率應用領域。4.1手機等移動終端充電利用感應耦合電能傳輸原理設計的非接觸充電平臺研究成果如圖6所示(a)(b)(c)(d)（a） 一站式充電平臺同時給多個電子設備充電（來源：香港城市大學）（b） AAK公司試制的手機充電模塊（來源:AAK）（c） Palm公司的Palm P

17、re及底座和專用手機后蓋等（來源：Palm）（d）高通公司研制的充電平臺及充電模塊（來源：美國高通）4.2電動汽車上半個世紀以來，人們對替代傳統(tǒng)化石能源的環(huán)境友好能源的需求不斷增長。使用清潔 能源的電動汽車（EV）成為替代傳統(tǒng)內燃機車的備選方案之一。新型電動汽車的研發(fā)經(jīng)歷 了數(shù)十年，然而一個最大的瓶頸就是電能的存儲容量和安全、方便地充電問題?，F(xiàn)在，電動 汽車主要是利用接插式物理接觸充電，然而暴露在外的街頭會有潛在的安全問題，并且這并 不方便于人們的使用。所以，非接觸充電系統(tǒng)（主要是感應耦合式）可以通過一次側線圈對 停在其上的帶有二次側接收線圈的電動汽車（EV）充電。充電平臺的實際考慮IFTPo

18、gr SupplyCiiita)Ller圖7是一個典型的感應耦合充電系統(tǒng)框圖，包括電氣隔離的兩部分，一、供電系統(tǒng)和 一次側線圈；二、二次測線圈和整流濾波穩(wěn)壓模塊。供電系統(tǒng)的電能經(jīng)過逆變產(chǎn)生超低頻信 號（典型值為5-550KHZ），通過一次側線圈和二次側線圈的感應耦合，將能量傳輸?shù)礁边叀?相對于傳統(tǒng)變壓器感應耦合型變壓器的耦合系數(shù)很低，所以它使用的松散耦合變壓器需要工 作于較高頻率，以及一次側和二次側都需要電容補償。在沒有發(fā)生畸變的情況下，單個一次 側可以驅動多個二次側線圈。$1堡心 orUire&oItiNiL Pick-up inductanceTrack inductance Li圖7.典

19、型的IPTT充電系統(tǒng)關于磁場對人體的傷害問題，奧克蘭大學的學者進行了仿真測試7。實驗結果表明，在實驗條件下，離開一次側充電線圈邊緣1140mm就達到了國際非電離輻射防護委員（ICCNIRP）在此頻率下的標準6.25以T。仿真測試數(shù)據(jù)如圖8所示。Displacemeuf fivan pad (mm)Flux Deusiiy0517.520131.3406030.2&0n.s10011J1207.5|1401604 1圖8.充電平臺邊緣磁場強大的仿真結果而充電過程中，汽車停在一次側線圈正上方，所以在汽車邊緣，這個標準很容易滿足。如圖9所示，充電高度的變化會影響線圈之間的耦合和互感系數(shù)，這種問題可以

20、通過 多路補償拓撲來解決7。如圖10所示，在不同的線圈距離情況下采用不同的LCL補償網(wǎng) 絡，從而優(yōu)化電路，實現(xiàn)效率最大化。Charger Pad M utual I nducta net VSHeight Disiplacemeirt40 50 M 70 BO 90 LM ILO 120 UO 140 heieht Ditp-lxamcnt (:mrr圖9.充電線圈之間的互感隨距離的變化圖100.多路徑二次側概念圖多線圈負載研究感應耦合電能傳輸(ICPTT )逐漸成為一種被接受的新技術，實現(xiàn)從一次側線圈到多二次側 線圈的電氣隔離電能傳輸。實際上，多線圈負載會引起電路不穩(wěn)定，多線圈負載的控制方法

21、 也有待研究。奧克蘭大學經(jīng)過理論推導、仿真以及實驗驗證，在設定實驗條件下，負載N6 會引起電路不穩(wěn)定。實驗結果如圖11所示：fllXnDftrCT pFikupfl圖11.負載線圈數(shù)對工作頻率的影響充電線圈設計對電動汽車的安全、高效、方便快捷的充電是非常必要的。如果充電平臺（一次側線圈） 過優(yōu)化設計，感應耦合充電能夠滿足上述要求。對電動汽車進行充電的平臺需要在大氣隙和 非完全重合的情況下傳輸上千瓦的功率。另外充電平臺需要質量輕、方便耐用。2009年， 新西蘭奧克蘭大學設計出一種在200mm間隙的充電平臺，實現(xiàn)了 2KW的非接觸充電。感 應耦合非接觸充電系統(tǒng)和充電線圈如圖12、13所示。圖12.

22、非接觸充電系統(tǒng)框圖體1 (LH) iVuviUlUll IIILLLITI由1電!,? 1LLUJPCTTlli圖13.充電平臺分解圖傳統(tǒng)的類圓形線圈充電平臺的幾何外形限制了它的磁通，這導致了在實際應用中非常差 的相互耦合，如圖14所示。為了在兩線圈位置不完全重合的情況下有較好的表現(xiàn)，傳統(tǒng)線 圈需要做的非常大，非常重。奧克蘭大學的學者研發(fā)了一種新型的平臺拓撲解決這個問題， 如圖15所示。相比于傳統(tǒng)的圓形線圈，這種拓撲極大程度上提高了傳輸效率。longlh圖14. (a)圓形(bb)條形充電平臺磁場的二維仿真(a)帶有背板的充電平臺(b)沿長度方向的磁場強度分布 圖15.新型充電平臺設計和仿真測

23、試雙向電能回饋電路拓撲傳統(tǒng)的電動汽車充電系統(tǒng)是單相的，具有可逆整流器就可以實現(xiàn)電源為電動汽車供電， 同時電動汽車也可以回饋電能，實現(xiàn)能量的雙向流動?？赡嬲髌鲀啥说碾妷汉拖辔唤墙缍?電能流動的方向，如圖16所示。商牝hi叩而劇1疝PiiibwiyC in tn圖16.單相雙向IPT一種新型的應用于大功率非接觸電能傳輸?shù)娜嚯p向IPT網(wǎng)絡原副邊分別具有三相電路拓撲。它可以通過松散耦合變壓器實現(xiàn)電能的雙向傳輸。相對于單相IPT網(wǎng)絡，三相網(wǎng)絡的 性能更加優(yōu)越，更加適合于需要快速充電的大功率應用領域。圖17是三相IPPT網(wǎng)絡的電 路拓撲。圖17.三相雙向IPT網(wǎng)絡5結語從非接觸電能傳輸開始研究以來，新

24、西蘭、美國、日本等國家已經(jīng)在許多領域取得了越 來越多的成果以及實際應用。近十年，國內也開始了這方面的研究，但是我國與發(fā)達國家的 技術差距還是比較大。非接觸式充電還存在很多技術問題最近，感應耦合式非接觸電能傳輸已經(jīng)逐漸進入人們的日常生活，包括手機等移動用電 設備的充電以及最近研究較多的新能源電動汽車的充電。非接觸充電能夠克服傳統(tǒng)電能傳輸 方式的很多缺點，具有很大的市場和研究價值。展望未來，隨著技術和材料的不斷進步，效 率更高、更加安全可靠的非接觸供電將出現(xiàn)在我們的生活中。這將彌補移動終端以及電動汽 車電池續(xù)航能力差，充電不方便等缺點，進一步方便我們的生活。參考文獻李宏.感應電能傳輸電力電子及電氣

25、自動化的新領域JJ.電氣傳動，20011，2, 62-644.陳玉芳.一種對植入式心臟起搏器進行體外無線充電的設計J.中國醫(yī)療器械信息20100 年第16卷第7期.19-21.張凱，潘孟春，翁飛兵，李政.感應耦合電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀與應用分析J.電力電 子技術.2009: 76-78.M. Budhia, G. A. Covic and J. TT.Boys, Design and optimisation of magneticstruuctures forlumped Inductive Power Transfer systems, in Energy ConversionCongress and Exposition, 2009. ECCEE