文無(wú)線電能傳輸文獻(xiàn)綜述.docx

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文文獻(xiàn)綜述題目：電能無(wú)線傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì) 作者姓名 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 提交日期 2016年3月7日 電能無(wú)線傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì)姓名：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 摘要：無(wú)線電能傳輸技術(shù)是通過(guò)電磁感應(yīng)、電磁共振、電磁輻射等多種形式實(shí)現(xiàn)非接觸式的新型電能傳輸，能幫助使我們擺脫傳統(tǒng)的電能傳輸方式的各種缺點(diǎn)。文章闡述了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究背景，介紹了該傳輸方式的各種優(yōu)點(diǎn)，以及在國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展歷程。之后敘述了現(xiàn)有理論框架下的三種無(wú)線電能傳輸技術(shù)，并比較了四種技術(shù)的特點(diǎn)。文章的最后，闡述了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景和領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；電磁感應(yīng)；電磁共振；電磁輻射；傳輸效率1 研究背景及意義 人類(lèi)社會(huì)自第二次工業(yè)革命以來(lái)，便進(jìn)入了電氣化時(shí)代。大至遍布世界各地的高壓線、電網(wǎng)，小至各種各樣的家用電氣設(shè)備，傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過(guò)金屬導(dǎo)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，屬于直接接觸傳輸。這種傳輸方式使用電纜線作為媒介，在電能傳輸?shù)倪^(guò)程中將不可避免的產(chǎn)生一些問(wèn)題。例如尖端放電、線路老化等因素導(dǎo)致的電火花，不僅會(huì)使線路損耗增大，還會(huì)大大降低供電的可靠性和安全性1，且會(huì)縮短設(shè)備的壽命。在油田、鉆采礦井等場(chǎng)合，用傳統(tǒng)的輸電方式容易由于摩擦而產(chǎn)生微小電火花，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，導(dǎo)線直接接觸供電還有電擊的危險(xiǎn)2-4。這一系列的問(wèn)題都在呼喚著一種擺脫金屬電纜的電能傳輸方式，即無(wú)線電能傳輸。無(wú)線電能傳輸（WPT）是一種有效的新型電能傳輸方法，通過(guò)無(wú)線電能傳輸，不需要使用電纜或其他實(shí)物就能進(jìn)行電能的傳輸，電能可以通過(guò)短距離耦合，中等范圍的諧振感應(yīng)和電磁波感應(yīng)傳輸，在很難使用傳統(tǒng)電纜的地方也可以實(shí)現(xiàn)電能傳輸5。實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，將使人類(lèi)在電能方面的應(yīng)用更加寬廣和靈活。電能的無(wú)線傳輸技術(shù)將開(kāi)辟人類(lèi)能源的另一個(gè)新時(shí)代,給大眾帶來(lái)非同凡響的意義和影響。下面將闡述無(wú)線電能傳輸?shù)母鞣N優(yōu)點(diǎn)： 方便性：設(shè)想一下，只需一個(gè)充電器墊，就可以同時(shí)為智能手機(jī)、MP3 播放器等多個(gè)數(shù)碼設(shè)備充電,不知會(huì)給我們的生活帶來(lái)多少便利。有了無(wú)線供電技術(shù)，設(shè)備的充電供電將不受插座和線纜束縛,從而更方便。不難想象,在不久的將來(lái),這樣的無(wú)線充電設(shè)施就會(huì)被普及，遍布各個(gè)家庭及公共場(chǎng)所。人們可以利用這些無(wú)線供/充電設(shè)備隨時(shí)隨地供/充電。就像今天無(wú)論在何地都可以自由自在的上網(wǎng)沖浪一樣。 通用性：現(xiàn)在的電子產(chǎn)品充電供電由于存在不同品牌、不同接口充電器不兼容的問(wèn)題，需要攜帶各種雜亂的電源適配器和數(shù)據(jù)線。無(wú)線供電技術(shù)一旦普及,這個(gè)問(wèn)題就能得到很好的解決。消費(fèi)者不只需攜帶一個(gè)小小的充電器墊，甚至酒店、餐館等地已為客人準(zhǔn)備好充電器墊，將可一舉解決令人頭疼的充電器不兼容問(wèn)題. 美觀性：如今，用于工作和娛樂(lè)的電子設(shè)備越來(lái)越多，其增長(zhǎng)速度令人咋舌。但隨處可見(jiàn)的亂糟糟的一團(tuán)團(tuán)電纜十分影響美觀性和人的好感。而無(wú)線充電技術(shù)的出現(xiàn)將可以顯著改善這個(gè)問(wèn)題。在解決了效率轉(zhuǎn)化、電磁輻射安全的情況下,若所有家電都進(jìn)入無(wú)線供電時(shí)代,將能有效的解決家庭布線、家電固定化、景觀破壞、居室墻面等問(wèn)題,美化人的生活環(huán)境。再者，沒(méi)有了電線接口和充電接口,便攜式電子設(shè)備體積將進(jìn)一步縮小,從而增加設(shè)備的美觀。 應(yīng)急性：在沙漠、海島、北冰洋和偏僻的山村等缺乏或無(wú)法連接輸電線的地方，無(wú)線供電也能發(fā)揮巨大作用。另外，還可解決傳統(tǒng)供電中的一些特殊問(wèn)題，例如，美國(guó)的研究者曾設(shè)想在高速公路的沿線設(shè)立各種微波發(fā)射臺(tái),為沿途的汽車(chē)提供不斷的能源供應(yīng)，加拿大等國(guó)也開(kāi)始嘗試用電磁輻射式無(wú)線供電的無(wú)人機(jī)作為電視轉(zhuǎn)播臺(tái)。因此，在將來(lái)，無(wú)線供電還可成為一種特殊、緊急的供電方法。 安全性：無(wú)線供電可避免經(jīng)常性的插拔插頭引起的插頭損壞、接觸不良等安全問(wèn)題；電子設(shè)備的外殼上可省去金屬接點(diǎn)和電氣開(kāi)口,可消除接觸可能產(chǎn)生的電火花,從而避免電火花可能引發(fā)的爆炸；同時(shí)電子產(chǎn)品的防水性及密封性將進(jìn)一步增強(qiáng)。著在醫(yī)療儀器方面也將帶來(lái)益處，因?yàn)殡姵毓╇姷尼t(yī)療設(shè)備的防水性能將得到提高,且更易于消毒.2 無(wú)線電能傳輸發(fā)展歷程 19世紀(jì)30年代，邁克爾法拉第提出電磁感應(yīng)定律，即穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中會(huì)有電流產(chǎn)生。19世紀(jì)90年代，被稱(chēng)為無(wú)線電能傳輸之父的尼古拉特斯拉第一次提出無(wú)線電能傳輸?shù)臉?gòu)想，并于1899年演示了無(wú)導(dǎo)線的高頻電流電動(dòng)機(jī)，但出于效率與安全的考慮，這一技術(shù)就此擱置6。20世紀(jì)20年代，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了八本宇田天線，可用于無(wú)線電能傳輸?shù)亩ㄏ颉?0世紀(jì)60年代，雷聲公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）設(shè)計(jì)了一種半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，此天線效率高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由此完成了32.45GHz微電波驅(qū)動(dòng)直升機(jī)的實(shí)驗(yàn)7-8。后來(lái)，他又進(jìn)行了室內(nèi)微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了90%的微波-直流能量轉(zhuǎn)換效率。自Brown的實(shí)驗(yàn)成功以后，無(wú)線電能傳輸技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。1968年，Peter Glaster提出通過(guò)構(gòu)建太空太陽(yáng)能為地球無(wú)線傳輸能源的設(shè)想。1975年，在美國(guó)宇航員的支持下，開(kāi)始了無(wú)線電能傳輸?shù)孛鎸?shí)驗(yàn)的5a計(jì)劃。近幾年，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展更為迅猛。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈西克（Marin Soljacic）等人在無(wú)線電能傳輸方面取得新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60w的燈泡7-8。2009年，TI和Fulton（eCoupled技術(shù)）公司合作開(kāi)發(fā)用于控制非接觸式充電的電源芯片。2011年，在東京舉行的安防用品會(huì)展上，松下集團(tuán)推出了一款無(wú)線充電的太陽(yáng)能電池板。2012年，LockheedMartin公司研發(fā)出激光無(wú)線充電系統(tǒng)。無(wú)線能量傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)的起步較晚。1994年，電子科技大學(xué)的林為干院士第一次將微波輸能技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)。之后，中科院電工所進(jìn)行了相關(guān)的理論研究。1998年，上海大學(xué)利用微波輸能實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道機(jī)器人的供能。2001年，西安石油學(xué)院的李宏發(fā)表了第一篇關(guān)于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)在感應(yīng)電機(jī)機(jī)車(chē)上應(yīng)用的可行性的文章。同年，重慶大學(xué)孫躍教授開(kāi)始對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究，且重慶大學(xué)與新西蘭奧克大學(xué)展開(kāi)了合作，進(jìn)行更深層次的學(xué)術(shù)交流。2003年，重慶大學(xué)鄭小林、皮喜田等對(duì)無(wú)線電能傳輸用于體內(nèi)診療裝置進(jìn)行了研究。2007年，孫躍教授研制出了感應(yīng)耦合無(wú)線輸電裝置，可同時(shí)向多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)600到1000W的電能傳輸，效率高達(dá)70%。2009年四川大學(xué)使用平面天線和接收整流陣列，實(shí)現(xiàn)200m的長(zhǎng)距離無(wú)線電能輸送實(shí)驗(yàn)9。2013年3月中科院上海微系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)了0.6m距離的磁共振耦合能量傳輸，效率達(dá)50%。隨著技術(shù)的成熟與進(jìn)步，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)及高校開(kāi)始了關(guān)于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究。研究進(jìn)一步深入，研究領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。3 無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式 根據(jù)傳輸原理的不同，無(wú)線電能傳輸方式可分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式以及電磁波輻射式三種。3.1 電磁感應(yīng)式 電磁感應(yīng)式電能傳輸?shù)幕咎卣骶褪窃边呺娐贩蛛x。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)相聯(lián)系。下圖是電磁感應(yīng)式無(wú)線傳能系統(tǒng)的原理框圖： 圖1 電磁感應(yīng)式無(wú)線傳能系統(tǒng)的原理框圖 在整流濾波以獲得直流電能之后，工頻交流電源通過(guò)高頻逆變器實(shí)現(xiàn)逆變。經(jīng)過(guò)逆變產(chǎn)生的高頻交變電流，注入一次側(cè)的原邊線圈。原邊線圈中的高頻交流電所產(chǎn)生的磁鏈，與二次側(cè)的副邊線圈交鏈，進(jìn)而產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)高頻整流以及直流斬波等調(diào)節(jié)電路之后，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即可向負(fù)載提供適當(dāng)參數(shù)的直流電10。 電磁感應(yīng)式系統(tǒng)主要由以下3 部分組成：能量發(fā)射裝置可分離變壓器能量接收裝置。其中，可分離變壓器是關(guān)鍵。它對(duì)實(shí)現(xiàn)大氣隙下的能量在原、副邊線圈之間高效傳輸，起了決定性作用。優(yōu)質(zhì)的可分離變壓器，必須具備漏感小，耦合系數(shù)高等特點(diǎn)11。電磁感應(yīng)式系統(tǒng)由以下特點(diǎn)：存在較大氣隙，使得原副邊無(wú)電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能的固有缺陷；較大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高；傳輸距離較短，實(shí)用上多在mm級(jí)。3.2 磁耦合諧振式 磁耦合諧振式（又稱(chēng)WiTricity技術(shù)）是由麻省理工學(xué)院物理系、電子工程系、計(jì)算機(jī)科學(xué)系，以及軍事納米技術(shù)研究所的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。下圖為磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)主要是由能量發(fā)射端及能量接收端組成。能量發(fā)射端以直流作為功率輸入，經(jīng)過(guò)逆變后形成了高頻激勵(lì)源，使與之直接相連的源線圈產(chǎn)生諧振，且在源線圈的周?chē)纬闪私蛔兇艌?chǎng)。發(fā)射線圈通過(guò)感應(yīng)源線圈的交變磁場(chǎng)與之形成共振。這樣，能量就通過(guò)源線圈傳送到發(fā)射線圈，再經(jīng)發(fā)射線圈傳遞出去。能量接收端有兩個(gè)線圈，分別是接收線圖3.2 磁耦合諧振式無(wú)線傳能系統(tǒng)框圖圈和負(fù)載線圈。接收線圈在收到發(fā)射線圈傳遞過(guò)來(lái)的能量后，再傳送給負(fù)載線圈。負(fù)載線圈之后連接能量變換電路，使高頻交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率，供給后面的用電負(fù)載使用12。這種傳輸方式的特點(diǎn)是：利用磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)傳輸，輻射小，具有方向性；中等距離傳輸，傳輸效率高；能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響；傳輸效果與頻率及天線尺寸關(guān)系密切。3.3 電磁波輻射式電磁輻射方式，即先利用天線將微波發(fā)射到空間，再由接收天線接收的能量傳輸方式。其原理類(lèi)似于早期使用的礦石收音機(jī)。發(fā)射端使用微波功率源將直流電轉(zhuǎn)化為微波能量，空間中的微波能量通過(guò)整流天線轉(zhuǎn)換為直流功率，為負(fù)載供電。這種技術(shù)的關(guān)鍵，在于發(fā)射源、發(fā)射天線以及接收整流天線。發(fā)射源需微波功率源，如磁控管、速調(diào)管和行波管，通過(guò)注入鎖相技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)頻率鎖定及相位鎖定，從而獲得更高的效率。發(fā)射天線需具備高聚焦和定向的能力，有助于提高效率。整流天線技術(shù)又是提高微波傳輸效率的另一關(guān)注點(diǎn)13。這種傳輸方式的特點(diǎn)是：傳輸距離遠(yuǎn)，頻率越高，傳播的能量越大。在大氣中能量傳遞的損耗很小，能量傳輸不受地球引力差的影響；微波是波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線輻射的電磁波，容易對(duì)通信產(chǎn)生干擾；能量束難以集中，能量散射損耗大。3.4 小結(jié)作為無(wú)線電能傳輸?shù)娜N主流方式，它們都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。一般來(lái)說(shuō)，電磁感應(yīng)技術(shù)比較具有實(shí)現(xiàn)性，且已應(yīng)用于當(dāng)前各種電子產(chǎn)品，它的優(yōu)點(diǎn)是能量的傳輸效率較高，但存在傳輸距離短，發(fā)熱大，線圈對(duì)準(zhǔn)困難等問(wèn)題；電磁波傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，但是現(xiàn)階段效率過(guò)低，另一方面?zhèn)鬏斶^(guò)程中的介質(zhì)也會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生影響；磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸中和了上述兩種傳輸方式，具有中中等距離傳輸和較高效率的特點(diǎn)，因而受到的關(guān)注較多。但目前階段的傳輸距離和效率離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。4 發(fā)展前景 目前WPT 技術(shù)還處在研究階段，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、充電軌道、礦井、水下探測(cè)、醫(yī)療器械和便攜式電子產(chǎn)品。其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，照明、太陽(yáng)能電站以及航空航天系統(tǒng)等都將成為無(wú)線電能傳輸?shù)男骂I(lǐng)域14。 在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，WPT可用于電動(dòng)汽車(chē)的充電裝置中，主要采用的是電磁感應(yīng)傳輸2。這樣不僅可以解決各類(lèi)充電口的建設(shè)問(wèn)題，還可以使電動(dòng)汽車(chē)分散化充電，從一定程度上緩解電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模集中充放電對(duì)于電網(wǎng)的沖擊。新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司已將ICPT 技術(shù)成功應(yīng)用于Rotorua 國(guó)家地?zé)峁珗@的30kW 旅客電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)15。 在醫(yī)療器械領(lǐng)域，無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用主要集中在植入式醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線供電里。例如神經(jīng)刺激器、心臟起搏器、視網(wǎng)膜肢體等等。這類(lèi)醫(yī)療設(shè)備的供電功率一般很小，從幾十微瓦到幾十瓦不等，多采用經(jīng)過(guò)表皮的直接供電、植入式電池?zé)o線充電等方式16。例如，加利福尼亞大學(xué)的G. X. Wang 等人研制出人工視網(wǎng)膜供電的裝置17。日本東北大學(xué)的小柳光教授，研制出可從外部向眼球植入的人工視網(wǎng)膜的無(wú)線供電系統(tǒng)。英國(guó)南安普敦大學(xué)成功研制出一款能把振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的“小型發(fā)電機(jī)”，有望在將來(lái)能憑借心臟病病人自己的心跳為心臟起搏器供電。 近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)日漸風(fēng)靡于便攜式通信領(lǐng)域，并且，已有不少高科技公司涉及這一領(lǐng)域。例如，美國(guó)的Splash Power 公司及Power Cast 公司。Power Cast 公司開(kāi)發(fā)的電波接受型儲(chǔ)能裝置是以美國(guó)匹茲堡大學(xué)研發(fā)的無(wú)源型射頻識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)射頻發(fā)射裝置，來(lái)傳遞電能。而Splash Power 公司則以電磁感應(yīng)技術(shù)為突破口，研究出手機(jī)充電平臺(tái)17。香港城市大學(xué)的許樹(shù)源教授也通過(guò)深入探索研究，研制出了基于電磁感應(yīng)的MP3、手機(jī)等便攜式電子設(shè)備的充電平臺(tái)，并已逐漸開(kāi)始成果轉(zhuǎn)化。 水下探測(cè)，也將是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。水下的電能傳輸可應(yīng)用于深海潛水，深海采礦與深海油田。與此同時(shí)，水下電能的獲取還可以增強(qiáng)船只的續(xù)航能力。不同的無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)推動(dòng)WPT 系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，從而提高人們的生活質(zhì)量，且為節(jié)約能源以及電能的有效利用開(kāi)辟出一條新途徑。參考文獻(xiàn)1 K.W.E.Cheng, Lu,Y. Development of a Contactless Power Converter, IEEE International Conference on Industrial Technology, 2002 (2): 786-791.2 J.T.Boys, A.P.Hu, G.A.Covic,“Critical Q analysis of a current-fed resonant converter for ICPT applications,” in Proc. Electronics Letters, 2000:1440-1441.3 J.T.Boys, G.A.Covic,“Pick-up transformer for ICPT applications,”in Proc. Electronics Letters, 2002:1276-1278.4戴衛(wèi)力,費(fèi)峻濤,肖建康,范新南. 無(wú)線電能傳輸技術(shù)綜述及應(yīng)用前景J. 電氣技術(shù),2010,07:1-6.5 Syed Khalid Rahman1, Omar Ahmed2, Md. Saiful Islam1, A. H. M. Rafiul Awal1,Md. Shariful Islam“Design and construction of wireless power transfer system using magnetic resonant coupling”，online May 10, 2014:12-256白明俠,黃昭.無(wú)線電力傳輸?shù)陌l(fā)展與應(yīng)用J.湘南學(xué)院學(xué)報(bào),2010,05:51-53.7黃吉金,黃珊.微波能量傳輸技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展方向J.微波學(xué)報(bào),2012,S2:485-490.8范興明,莫小勇,張?chǎng)? 磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀及應(yīng)用J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,12:75-82+99.9黃學(xué)良,譚林林,陳中,強(qiáng)浩,周亞龍,王維,曹偉杰. 無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,10:1-11.10楊民生.非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸與控制技術(shù)及其應(yīng)用研究D.湖南大學(xué),2012:3-8.11龔麗嬌,蘭永均.無(wú)線電能傳輸技術(shù)分析J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,S1:215-220.12 毛銀花.用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的磁共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011:89-94.13 楊雪霞,周華偉,周永金,梅歡.