無線電能傳輸

電動汽車的無線能量傳輸概念綜述所謂無線電能傳輸(WirelssPowerTransmission wPT)就是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種技術。無線輸電分為：電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式。電磁感應可用于低功率、近距離傳輸；電磁共振適于中等功率、中等距離傳輸；電磁輻射則可用于大功率、遠距離傳輸。近年來，一些便攜式電器如筆記本電腦、手機、音樂播放器等移動設備都需要電池和充電。電源電線頻繁地拔插，既不安全，也容易磨損。一些充電器、電線、插座標準也并不完全統(tǒng)一，這樣即造成了浪費，也形成了對環(huán)境的污染。而在特殊場合下，譬如礦井和石油開采中，傳統(tǒng)輸電方式在安全上存在隱患。孤立的島嶼、工作于山頭的基站，很困難采用架設電線的傳統(tǒng)配電方式。在上述情形下，無線輸電便愈發(fā)顯得重要和迫切，因而它被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。在無線輸電方面，我國的研究才剛剛起步，較歐美落后。在此旨在闡述當前的技術進展，分析無線輸電原理，為我國在無線輸電方面的深入研究提供參考。2無線電能傳輸?shù)脑?變壓器的疏松耦合非接觸式實現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組分別繞在具有不同磁性的結構上，實現(xiàn)在電源和負載單元之間進行能量傳遞而不需物理連接6J。其一次側、二次側之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導致的耦合系數(shù)的降低由提高一次側輸入電源的頻率加以補償。理論和經(jīng)驗都表明：當原邊電流頻率、幅值越高，原、副邊距離越小，與空氣相比，磁芯周圍介質(zhì)的相對磁導率越大時，可分離式變壓器的傳輸效率越高。但實際應用當中原副邊距離不可能無限小，必須對原副邊采取相應的補償措施，這種無線電能傳輸效率較低。電磁感應現(xiàn)想是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電磁現(xiàn)想之間的相互聯(lián)系和轉化。電磁感應是電磁學的基礎原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的，變壓器由一個磁芯和兩個線圈，即初級線圈與次級線圈組成。當初級線圈兩端加上一個交變電壓試，磁芯中就會產(chǎn)生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。對圖1所示的變壓器基本電路，兩個端口的電壓降可表示為：V1=jwL1I1-jwMI2V2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2式中L1、L2和M分別為初級電感，次級電感與互感，ZL是負載電阻、初、次級耦合度可用耦合系數(shù)K來定義：K耦合系數(shù)反映變壓器的優(yōu)值，對于一個近似于理想的變壓器，可簡單表示為：V1/V2^L1/L2^N1/N2式中N1與N2分別是兩個電感的匝數(shù)，就是所說的電壓比等于匝數(shù)比。2.2基于電磁輻射的無線電力傳輸對無線電能傳輸來說，能量傳遞的效率是最重要的。因此，方向性強、能量集中的激光與具有類似性質(zhì)的微波束是值得考慮的選擇。但激光光束在空間傳輸易受到空氣和塵埃的散射，非線性效應明顯，且輸出功率小，因此微波輸能成為首選。微波輸能，就是將微波聚焦后定向發(fā)射出去，在接收端通過整流天線(rect-enna)把接收到的微波能量轉化為直流電能。⑴布朗的微波輸電系統(tǒng)。上世紀60年代，WilliamC.Brown向世人展示的微波傳輸電能示意圖如圖2所示。該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出5?200W的功率；微波源輸出的能量通過同軸電纜連接至和波導管之間的適配器上；亞圖圖1變壓器示意圖圖2Splashpowe「系統(tǒng)示意圖2.3非輻射性諧振磁耦合方案2007年，美國麻省理工以MarinSolijacic為首的研究團隊完成了一項無線傳輸電力的實驗。實驗室里放置著2個銅線圈，一個線圈通電，另一個放在離它2米外的房間中央，連著60瓦的燈泡，線圈間沒有任何導線。他們的裝置成功地將電力以無線的方式傳給燈泡，將它點亮。科學家們興奮地集合到2個線圈之間的位置，留下了合影(這也證明了不需要為這種傳輸清出直線通道)。圖3Wi加Wy無線供電原理示意圖電路A接在電源插座上，它將標準的60赫茲電流轉換成10百萬赫茲，再送到傳輸線圈B。線圈B內(nèi)的振蕩電流產(chǎn)生10百萬赫茲的磁場。接收線圈C的尺寸與線圈B絲毫不差，兩個線圈發(fā)生共振。接收線圈C通過磁感應從傳輸線圈的磁場取得能源。共振磁場的能量，點亮連接在線圈C上的燈泡D（圖3）。這項稱為Witricity的無線供電技術，關鍵在于非輻射性磁耦合的使用，兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距離范圍，他要求被供電或充電的設備非?？拷袘?，因為磁場能量會隨距離的增加而迅速衰減，因此而在傳統(tǒng)的磁感應中，距離只能通過增強磁場強度來增加。與此不同，witricity使用匹配的諧振天線?？墒勾篷詈显趲子⒊叩木嚯x內(nèi)發(fā)生，而不需要增強磁場強度。電磁波無限功率傳輸雖然有較長的傳輸距離，但傳輸?shù)墓β手挥袔孜⑼叩綆缀镣?。該團隊在成功地點點亮燈泡后，準備通過設計一個裝置來演示以無線電方式對筆記本電腦進行供電。電能通過導線1輸送至10mhz諧振天線2,能量尾巴3到達6.5英尺外的接收線圈，接收線圈4以相同頻率諧振，接收的電能經(jīng)耦合匹配，整流后供筆記本電腦使用。來傳輸電能5駐留在諧振場中，不像輻射電磁波將很多電能浪費在輻射空間中。圖4Witricity無線供泓^置示意圖這是一種非輻射電磁能諧振隧道效應。例如在微波波段，一個號角波導產(chǎn)生一個衰減電磁波，倘若接收導波支持相應效率的電磁波模式，即衰減場傳播波模式，能量就從一個媒體以隧道方式傳輸至另一個媒體。換句話說，衰減波耦合是隧道效應在電磁場中的具體體現(xiàn)。在本質(zhì)上，這個過程與量子隧道效應相同，只是電磁波替代了量子力學中的波函數(shù)，這個方法也成為共振感應耦合，以區(qū)別普通電磁感應耦合，它使用單層線圈，兩端放置一個平板電容器，共同組成諧振回路，減少能量的浪費。諧振耦合雖能增加傳輸距離，但因增加了一個電容器，高品質(zhì)因子表明諧振時能量損耗少，另一方面，高品質(zhì)因子意味著諧振帶寬窄，會帶來系統(tǒng)設計的困難。除了上述因素，還要考慮：（1） 安全性：人們佩戴的金屬質(zhì)項圈、項鏈等也是一個環(huán)形線圈，在某些場合若形成諧振賄賂會影響系統(tǒng)工作，也存在一些不安全因素。（2） 串擾：串擾是同一個場所內(nèi)各種電磁波間不希望有的耦合。這個問題是現(xiàn)實存在的，應予以關注和解決。（3）效率：線圈之間的耦合有極強的方向性。平行時耦合強，垂直時幾乎沒有耦合，被供電設備的放置會對效率有很大影響。無論哪一種無線供電方案，都存在一些關鍵問題亟待解決。一是傳輸效率不高的問題。比如點亮燈泡時，電力在傳送中流失了45%，因此輸電效率必須提高一倍才有望取代化學電池。二是安全性問題，無線傳輸能量產(chǎn)生的電磁波對生物的輻射作用多大還沒有認知，在某些場合若形成諧振回路會影響系統(tǒng)工作.也存在一些不安全因素。三是有效傳輸距離的遠近，日前在兒英尺的距離內(nèi)傳輸，離實用相差很遠。四是傳輸功率的大小。無線供電技術有著廣泛的應用前景。就目前情況而論，該項技術還處于探索階段，雖然已有一些初級產(chǎn)品，在實用化、普及化之前，還有大量的工作要做，存在的問題也有待解決。人們期待無線供電技術有新的突破，真正實現(xiàn)無限輸送能量。方便人們的生活。4.1新型感應耦合能量傳輸機理新型感應耦合能量傳遞機理與變壓器傳遞功率有類似之處，即都是通過電磁感應原理將能量由一次側傳遞到二次能量接收側。但與傳統(tǒng)變壓器不同的是：（1）變壓器的原邊線圈通常都是多匝線圈，而在新型能量傳輸模式中，原邊僅僅是一根載流體（相當于一匝線圈）；（2）變壓器原副邊均采用緊密耦合且磁場介質(zhì)通常采用具有高磁導特性的鐵磁性材料，具有很高的傳輸效率，而新型電能無線傳輸模式由于安全的需要或機械因素的限制，初次級之間有一定的距離，使系統(tǒng)的能量發(fā)射端（原邊）與能量接受端（副邊）具有較大的間隔，致使磁場傳輸介質(zhì)中包括磁導率很低的空氣磁路段，其耦合程度大大降低。因此，新型能量感應耦合傳輸同傳統(tǒng)變壓器的能量傳輸具有根本的區(qū)別，對這種新型電能傳輸模式的機理和能量傳輸模型進行深入地探索和研究是該技術的核心和關鍵所在。新型感應耦合能量無線傳輸系統(tǒng)是通過使用特殊結構變壓器的電磁感應實現(xiàn)的，在這種變壓器中，初級能量通過氣隙或其他介質(zhì)感應耦合到次級，因此和傳統(tǒng)變壓器有很大的不同，較大氣隙導致變壓器具有較大漏感，其儲能降低變壓器效率并增加器件應力。因此，利用漏感的電路拓撲如諧振或軟開關拓撲是解決這一問題的較優(yōu)選擇。4.2能量無線傳輸?shù)男试谛滦湍芰總鬏斚到y(tǒng)中，能量損耗主要包括初級損耗、耦合損耗及次級損耗三大部分。初級損耗主要指電網(wǎng)能量經(jīng)整流濾波及高頻逆變過程的能量損耗，主要是開關管的開關損耗，本課題擬采用軟開關技術加以解決；耦合損耗是該系統(tǒng)能耗的主要部分，因為磁場傳輸介質(zhì)中包括磁導率很低的空氣磁路段，造成感應效率較低，在本課題采用高頻（10?30kHz）傳輸磁場和合理的變壓器結構提高耦合的效果和程度；能量耦合后還要經(jīng)過變換后為負載所用，在變換過程中也會存存一部分能量損失，減少次級能量變換過程的開關損耗和輸出回路的無功功率補償也是本項目的主要研究內(nèi)容之一。4.3能量無線傳輸容量和距離能量無線傳輸?shù)娜萘亢途嚯x決定新型能量傳輸模式的應用范同和程度。傳輸距離增大，耦合效率降低，為了提高效率，就必須提高電磁能的頻率，傳輸頻率的提高會對傳輸容量有一定的制約。通過采用科學有效的技術措施（如高頻逆變后耦合、力爭減小功耗、合理的變壓器結構等），力圖使電能具有較大的傳輸容量和較遠的傳輸距離。4.4能量傳輸?shù)陌踩院涂煽啃园踩院涂煽啃允悄芰總鬟f的前提。在新型能量傳輸系統(tǒng)中包含大功率整流濾波、高頻逆變，遠距離感應耦合、次級整流濾波等環(huán)節(jié)，不可避免的存在較強的電磁干擾及能量輻射，對電網(wǎng)及周圍用電設備甚至人體都可能存在一定程度的負面效應。因此對系統(tǒng)進行電磁兼容性和可靠性設計也是本課題的核心研究內(nèi)容。無線充電器的設計:介紹了一種由常用電子器件構成.以射頻電路、接收控制電路為核心，以電感線圈實現(xiàn)無線傳能的無線充電器，簡單實用，成本低廉。并通過實驗驗證了方案的可行性。1無線充電器原理與結構無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理.通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)接收轉換電路變換成直流電為電池充電。無妹充電器系醯框圖喧成電交旅電無妹充電器系醯框圖喧成電交旅電￡S一-!三=--L圖1無線充電器系統(tǒng)框圖2硬件電路設計2.1電源管理模塊如圖2所示，交直流兩路電源分別接繼電器的常開和常閉端給能量發(fā)送單元供電。此時若交流電存在，選擇交流供電，同時斷開直流供電，在交流電停電時，則自動切換直流供電。

S2供電電皿電路2.2發(fā)射電路模塊如圖3,主振電路采用2MHz有源品振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出全線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為接收部分提供能量。測得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為0.5mm，直徑為7cm，電感為47uH.載波頻率為2MHz。根據(jù)并聯(lián)諧振公式[3]得匹配電