無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用

1、無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用姓名：李灝姓名：李灝專業(yè)：機(jī)械電子工程專業(yè)：機(jī)械電子工程學(xué)號：學(xué)號：SX1505101主要內(nèi)容主要內(nèi)容13無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性2無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介電能的無線傳輸這一概念的提出最早可以追溯到電能的無線傳輸這一概念的提出最早可以追溯到19世紀(jì)世紀(jì)末期。末期。1893年，年，Nikola Tesla在芝加哥舉行的世界博覽會在芝加哥舉行的世界博覽會上首次展示了通過無線方式供電的熒光照

2、明燈。上首次展示了通過無線方式供電的熒光照明燈。1891年Tesla向外展示無線傳輸原理無線電能傳輸無線電能傳輸(wireless power (wireless power transfer,WPTtransfer,WPT),),又稱為無接觸又稱為無接觸式電能傳輸式電能傳輸(contactless (contactless power transfer CPT)power transfer CPT)，指的是，指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒有經(jīng)電能從電源到負(fù)載的一種沒有經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式過電氣直接接觸的能量傳輸方式。無線電能傳輸一直是人類的夢。無線電能傳輸一直是人類的夢想。想。20

3、07年，美國麻省理工學(xué)院年，美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology) MIT)的的Marin Soljacic教授等教授等人基于磁耦合諧振原理在人基于磁耦合諧振原理在中等距離無線電能傳輸中等距離無線電能傳輸方面取得了新方面取得了新進(jìn)展進(jìn)展。他們。他們“隔空隔空”點亮了點亮了1盞離盞離電源電源2m開外的開外的60W燈泡燈泡，效率達(dá)，效率達(dá)到了到了40%，并在，并在Science雜志上發(fā)表了其研究成果，雜志上發(fā)表了其研究成果，引起了引起了世界世界轟動。轟動。隨后，世界各地的研究人員隨后，世界各地的研究人員對無對無線電能傳輸開展了越來越多線電能傳

4、輸開展了越來越多的的研究研究。無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介MITMIT無線電能傳輸裝置和實驗組成員無線電能傳輸裝置和實驗組成員無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸電磁輻射式無線電波激光電場耦合式磁場耦合式諧振式感應(yīng)式超聲波等無線電能傳輸分類無線電能傳輸分類無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介空間太陽能發(fā)電站空間太陽能發(fā)電站SHARPSHARP項目中微波供電樣機(jī)項目中微波供電樣機(jī)微波輻射式無線電能傳輸及相關(guān)應(yīng)用微波轉(zhuǎn)換裝置DC/AC無線發(fā)射與聚焦系統(tǒng)無線接收微波轉(zhuǎn)換裝置AC/DC能量輸入能量輸出無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介感應(yīng)耦合式無線電能傳輸及相關(guān)應(yīng)

5、用 感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)就是利用了法拉第電磁感應(yīng)定律，將輸感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)就是利用了法拉第電磁感應(yīng)定律，將輸入線圈與輸出線圈臨近放置，使輸入線圈流入交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生交入線圈與輸出線圈臨近放置，使輸入線圈流入交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場，變化的磁場在輸出線圈感應(yīng)出電動勢，完成無線電能傳輸，變磁場，變化的磁場在輸出線圈感應(yīng)出電動勢，完成無線電能傳輸，整個過程是電能一磁場能一電能的轉(zhuǎn)化方式。整個過程是電能一磁場能一電能的轉(zhuǎn)化方式。應(yīng)用應(yīng)用充電式電充電式電動汽車動汽車植入電植入電子藥療子藥療個人電子個人電子消費(fèi)產(chǎn)品消費(fèi)產(chǎn)品日常家日常家電電無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介充電式電動汽車充

6、電式電動汽車諾基亞諾基亞Lumia920無線充電無線充電無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介 電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是由麻省理工學(xué)院是由麻省理工學(xué)院(MIT）Marin Soljacic教授于教授于2006年美國物理學(xué)會工業(yè)物理論壇上首次提出年美國物理學(xué)會工業(yè)物理論壇上首次提出的，其工作原理是利用兩個具有相同諧振頻率且具有高品質(zhì)因數(shù)的電磁系的，其工作原理是利用兩個具有相同諧振頻率且具有高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈以某一特定頻率工作時，在與之相距一定的距離的接收線統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈以某一特定頻率工作時，在與之相距一定的距離的接收線圈通過分布式電容與電感的

7、耦合作用，產(chǎn)生電磁耦合諧振，高頻電磁能量圈通過分布式電容與電感的耦合作用，產(chǎn)生電磁耦合諧振，高頻電磁能量在兩線圈之間發(fā)生大比例交換，當(dāng)接收線圈上接有負(fù)載時，負(fù)載會將一部在兩線圈之間發(fā)生大比例交換，當(dāng)接收線圈上接有負(fù)載時，負(fù)載會將一部分能量吸收，從而實現(xiàn)了電能的無線傳輸。分能量吸收，從而實現(xiàn)了電能的無線傳輸。無線電能傳輸技術(shù)簡介無線電能傳輸技術(shù)簡介MIT螺旋式無線電能傳輸樣機(jī)螺旋式無線電能傳輸樣機(jī)美國高通公司生產(chǎn)的多終端充電臺美國高通公司生產(chǎn)的多終端充電臺海爾無尾電視海爾無尾電視磁耦合諧振式無線電能傳輸原磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性理與特性一、基本傳輸結(jié)構(gòu)一、基本傳輸結(jié)構(gòu)1. 兩線圈結(jié)構(gòu)兩

8、線圈結(jié)構(gòu)2. 四線圈結(jié)構(gòu)四線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性 諧振式無線電能傳輸技術(shù)最基本的實現(xiàn)方式是采用兩線圈結(jié)構(gòu)，即直諧振式無線電能傳輸技術(shù)最基本的實現(xiàn)方式是采用兩線圈結(jié)構(gòu)，即直接將高頻電源與發(fā)射線圈連接，負(fù)載與接收線圈連接，通過線圈本身的分接將高頻電源與發(fā)射線圈連接，負(fù)載與接收線圈連接，通過線圈本身的分散電容或集中補(bǔ)償電容實現(xiàn)諧振，采用兩線圈結(jié)構(gòu)的電路模型簡單，系統(tǒng)散電容或集中補(bǔ)償電容實現(xiàn)諧振，采用兩線圈結(jié)構(gòu)的電路模型簡單，系統(tǒng)設(shè)計簡單。但是，采用兩線圈結(jié)構(gòu)模型，將嚴(yán)重限制系統(tǒng)的傳輸距離，盡設(shè)計簡單。但是，采用兩線圈結(jié)構(gòu)模型，將嚴(yán)重限制系統(tǒng)的傳輸

9、距離，盡管實現(xiàn)諧振，系統(tǒng)的傳輸距離也很難滿足要求，因為當(dāng)系統(tǒng)只有發(fā)射線圈管實現(xiàn)諧振，系統(tǒng)的傳輸距離也很難滿足要求，因為當(dāng)系統(tǒng)只有發(fā)射線圈與接收線圈時，隨著兩線圈距離的微小增加，兩線圈之間的耦合系數(shù)將急與接收線圈時，隨著兩線圈距離的微小增加，兩線圈之間的耦合系數(shù)將急劇減小，從而使傳輸效率急劇下降。劇減小，從而使傳輸效率急劇下降。 為了提高傳輸距離，研究人員提出四線圈結(jié)構(gòu)模型，四線圈結(jié)構(gòu)是在兩為了提高傳輸距離，研究人員提出四線圈結(jié)構(gòu)模型，四線圈結(jié)構(gòu)是在兩線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了電源線圈和負(fù)載線圈，之所以采用四個線圈的結(jié)線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了電源線圈和負(fù)載線圈，之所以采用四個線圈的結(jié)構(gòu)，是因為當(dāng)發(fā)射線

10、圈與接收線圈之間的距離提高到中等距離后，雖然兩構(gòu)，是因為當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離提高到中等距離后，雖然兩線圈之間的耦合系數(shù)很小，但是可以通過調(diào)整電源線圈與發(fā)射線圈的耦合線圈之間的耦合系數(shù)很小，但是可以通過調(diào)整電源線圈與發(fā)射線圈的耦合系數(shù)以及接收線圈與負(fù)載線圈的耦合系數(shù)，保證系統(tǒng)獲得最佳的阻抗匹配系數(shù)以及接收線圈與負(fù)載線圈的耦合系數(shù)，保證系統(tǒng)獲得最佳的阻抗匹配，從而獲得較高的傳輸效率。，從而獲得較高的傳輸效率。磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性二、近場理論二、近場理論 磁諧振耦合無線電能傳輸是在近區(qū)場進(jìn)行的，在近區(qū)場電磁場能量不向外輻射，即非輻射性磁耦合。

11、另外，近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度較強(qiáng)，遠(yuǎn)區(qū)場為弱場，進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)場的電磁場波將不能返回對線圈產(chǎn)生諧振作用，而在近區(qū)場電磁場的能量基本上在發(fā)射端與接收端之間周期性的來回流動。 距離發(fā)射線圈中心 的范圍內(nèi)為系統(tǒng)傳輸電能的有效區(qū)域，超出此區(qū)域系統(tǒng)將不能有效地傳送電能。從這個角度也可說明磁諧振耦合式無線輸電的距離主要是在近場區(qū)。磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性三、耦合模理論三、耦合模理論 磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)是耦合模理論磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)是耦合模理論(Coupled-Mode Theory )，其基本思想是在兩諧振模式間通過恰當(dāng)?shù)伛詈?，即載流線圈之，其

12、基本思想是在兩諧振模式間通過恰當(dāng)?shù)伛詈?，即載流線圈之間通過彼此磁場的相互聯(lián)系，在某一確定頻率下產(chǎn)生諧振，形成能量在間通過彼此磁場的相互聯(lián)系，在某一確定頻率下產(chǎn)生諧振，形成能量在兩個諧振腔之間的全轉(zhuǎn)移，從而獲得高效率的能量轉(zhuǎn)移，而其他偏離諧兩個諧振腔之間的全轉(zhuǎn)移，從而獲得高效率的能量轉(zhuǎn)移，而其他偏離諧振頻率的物體之間的相互作用較弱，對能量傳輸影響較小。振頻率的物體之間的相互作用較弱，對能量傳輸影響較小。磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性四、電路理論四、電路理論利用兩線圈結(jié)構(gòu)的等效電路圖，根據(jù)基爾霍夫定律，可得到兩線圈結(jié)構(gòu)的回路方程： 當(dāng)電源頻率等于系統(tǒng)自諧振頻率

13、時，發(fā)生諧振，此時有：方程組可進(jìn)一步簡化，從而解出整個系統(tǒng)。磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性磁耦合諧振式無線電能傳輸原理與特性五、磁耦合諧振式無線傳輸特性五、磁耦合諧振式無線傳輸特性 磁耦合諧振式無線電能傳輸磁耦合諧振式無線電能傳輸(magnetically-coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)利用諧振原理，使得其在利用諧振原理，使得其在中等距中等距離離（傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍（傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍)傳輸時，仍能得到傳輸時，仍能得到較高較高的效率和較大的功率的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙

14、物的影，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響。相比于感應(yīng)式，該方法傳輸響。相比于感應(yīng)式，該方法傳輸距離較遠(yuǎn)距離較遠(yuǎn);相比于輻射式，其相比于輻射式，其對電對電磁環(huán)境的影響較小磁環(huán)境的影響較小，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點， MCR-WPT得到越來越多的研究。得到越來越多的研究。無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用植入式電子裝置植入式電子裝置1. 植入式刺激器植入式刺激器2. 植入式電子測量系統(tǒng)植入式電子測量系統(tǒng)3. 植入式藥療裝置植入式藥療裝置4.植入式人工器官及輔助裝置植入式人工器官及輔助裝置心臟起搏器、除顫器膠囊內(nèi)窺鏡植入式注射

15、泵人工心臟、人工耳蝸 目前市面上的一些植入式醫(yī)學(xué)電了裝置均采用鋰電池供電，這種目前市面上的一些植入式醫(yī)學(xué)電了裝置均采用鋰電池供電，這種內(nèi)置電池供電方式的最大缺點就是使用壽命的限制，一旦電池能量耗內(nèi)置電池供電方式的最大缺點就是使用壽命的限制，一旦電池能量耗盡，人們只能通過再次手術(shù)來更換電池，而有些患者由于年事已高或盡，人們只能通過再次手術(shù)來更換電池，而有些患者由于年事已高或者其他原因不宜再次手術(shù)，即使可以手術(shù)也會帶來一定的風(fēng)險。者其他原因不宜再次手術(shù)，即使可以手術(shù)也會帶來一定的風(fēng)險。無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用 無線電能傳輸?shù)奶攸c非常適用于醫(yī)學(xué)式植入式電子

16、器件領(lǐng)域：l 只有當(dāng)接收線圈存在且與發(fā)射接收線圈具有相同的諧振頻率時才能實現(xiàn)能量的傳遞，而非該特定頻率的物體則基本不受影響。l 由于該技術(shù)屬于近場無損非輻射諧振耦合，相比于電磁感應(yīng)、體導(dǎo)電等方法，它具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和更高的傳輸效率。l 該技術(shù)在能量傳輸?shù)倪^程中不受非導(dǎo)磁性障礙物的影響，這就表示它具有一定的穿透力，可以應(yīng)用于譬如生物組織內(nèi)部等視線達(dá)不到的地方。無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用 2011年，美國華盛頓大學(xué)、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與英特爾宣布，利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)，共同試制出了植入式人工心臟使用的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一般的直徑為數(shù)十厘米諧振線圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在人工心臟上安裝了直徑4.3cm的接收線圈，并且將其放入模擬人體組織環(huán)境的容器中，對能否從容器外部供電進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果顯示，能夠以80%的傳輸效率穩(wěn)定施供電。如果把該技術(shù)與容量可為人工心臟供電約2個小時的蓄電池組合使用，電源線就無需探出體外感染的風(fēng)險會因此而驟降。而且，在蓄電池未耗盡期問，患者還可以取下電源系統(tǒng)，可淋浴、可在泳池游泳。而且該技術(shù)將不僅限于人工心臟，在其他的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也會有較為廣泛的應(yīng)用。美國兩所大學(xué)與英特爾試美國兩所大學(xué)與英特爾試制成功人工心臟無線供電制成功人工心臟無線供電系統(tǒng)系統(tǒng)無線電能傳輸在植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用無線電能傳輸在植入醫(yī)療器