無線電能傳輸技術(shù)

1、無線能量傳輸技術(shù)無線能量傳輸技術(shù) 2012.4 無線能量傳輸綜述 無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 當(dāng)前存在問題 無線能量傳輸技術(shù)（WPT），又稱無接觸能量傳輸無接觸能量傳輸（Contactless Power Transmission， CPT）技術(shù)，技術(shù)，顧名思義，即以非接觸的無線方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。早在1890 年，由著名電氣工程師（物理學(xué)家）尼古拉特斯拉(Nikola Tesla) 提出。無線能量傳輸綜述太多的電線插 座給人們的生 活帶來不便無線能量傳輸綜述無線能量傳輸綜述如此多的節(jié)點(diǎn)如何 解決電池問題？無線能量傳輸綜述 1831年，邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)，周圍

2、磁場的變化將在電線中產(chǎn)生電流。 1890年，尼古拉特斯拉提出無線電力傳輸?shù)臉?gòu)想。 20世紀(jì)60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的無線電能傳輸研究工作,從而奠定了無線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ),使這一概念變成了現(xiàn)實(shí)。無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 2007年，美國麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Soljacic）等人在無線電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無線充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），2010年8月31日，無線充電聯(lián)盟在北京正式將Qi

3、無線充電技術(shù)引入中國MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 最近，多家公司已經(jīng)生產(chǎn)出無線充電的手機(jī)、mp3、便攜式電腦、電動汽車。2009年，TI和FultoneCoupled技術(shù)公司合作開發(fā)電源芯片用于控制非接觸式充電2010年1月，在美國CES展覽會上，海爾公司推出了“無尾電視”Powermat公司展示了為不同電子產(chǎn)品進(jìn)行無線充電的設(shè)備無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展史無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式電磁感應(yīng)式（非接觸感應(yīng)式）電能傳輸電路的基本特征就是 原副邊電路分離。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場耦合感應(yīng)相聯(lián)系。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 根據(jù)無接觸變壓器初、次級之間所處的相對運(yùn)動狀態(tài)，新型無接觸能

4、量傳輸系統(tǒng)可分為：分離式、移動式和旋轉(zhuǎn)式，分別給相對于初級繞組保持靜止、移動和旋轉(zhuǎn)的電氣設(shè) 備供電。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式日本三洋推出的任天堂官方授權(quán)產(chǎn)品“Wii遙控器專用非接觸式充電套件”。 電動車電動車采用電磁感應(yīng)方式充電.即將一個受電線 圈裝置安裝在汽車的底 盤上，將另一個供電線 圈裝置安裝在地面，當(dāng) 電動汽車駛到供電線圈 裝置上，受電線圈即可 接受到供電線圈的電 流，從而對電池進(jìn)行充 電。目前，這套裝置的 額定輸出功率為10kW， 一般的電動汽車可在7-8 小時內(nèi)完成充電。日產(chǎn)魔方電動車無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式特點(diǎn): 較大氣隙存在，使得原副邊無電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng) 接觸式電能的固有缺陷； 較大

5、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。缺點(diǎn)： 電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其范圍內(nèi)的金屬都會產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時會損壞設(shè)備。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式諧振耦合方式（又稱WiTricity技術(shù)）是由麻省理工學(xué)院（MIT）物理系、電 子工程、計算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所（Institute for Soldier Nanotechnologies）的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個相同頻率 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

6、電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 MIT無線傳能實(shí)驗(yàn)中發(fā)射諧振器和接收諧振器是半徑為3mm的銅線纏繞5.25圈、線圈半徑300mm、高度200mm，具備分布式電感和電容特性的線圈型諧振器，實(shí)驗(yàn)測得其諧振頻率為9.90MHz。在諧振器距離2m傳輸時傳輸效率約為40，距離為1m時傳輸效率可高達(dá)90。 2008年8月，Intel西雅圖實(shí)驗(yàn)室的Joshua R. Smith研究小組基于磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)開發(fā)出可為小型電器充電的無線傳能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在1m距離內(nèi)給60W燈泡提供電能，效率可達(dá)75%。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式特點(diǎn)： 利用磁場通過近場傳輸，輻射小，具有方向性。 中等距離傳輸，

7、傳輸效率較高。 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。缺點(diǎn)： 諧振耦合方式安全實(shí)現(xiàn)問題比較嚴(yán)重，要想更好的實(shí)現(xiàn)諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無線電波式(輻射式) 基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主 要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路 可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載 作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 Powercast公司研制出 可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流 電的接收裝置，可在約1米 范圍內(nèi)為不同電子裝置的電 池充電。

8、微波和激光的無線能量傳輸技術(shù) 微波無線能量傳輸技術(shù)目前尚處于研發(fā)階段，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成本較低，技術(shù)瓶頸是效率太低，而且容易發(fā)熱，損壞設(shè)備。 2009年，Lasermotive使用激光二極管，在數(shù)百米的距離傳輸了1千瓦以上的功率，打破了多項(xiàng)世界紀(jì)錄，并贏得了美國航空航天局（NASA）的大獎。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無線電方式問題主要在于其在能量傳輸過程中能量損耗太大，傳輸效率太低。 如果輻射是全方向性的,則能量傳輸效率會十分的低;如果是定向輻射,也要求具有不間斷可視的方位和十分復(fù)雜的追蹤儀器設(shè)備三種無線能量傳輸方式比較三種無線能量傳輸方式比較電磁感應(yīng)無線電諧振耦合輸出能量幾瓦至幾百千瓦幾十毫瓦最大幾

9、千瓦有效距離1cm幾米范圍幾米范圍控制水平實(shí)現(xiàn)和控制都很簡單實(shí)現(xiàn)困難控制簡單實(shí)現(xiàn)和控制都很困難安全系數(shù)取決于環(huán)境條件和技術(shù)手段便利性可接受水平最為便利一般水平無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望同時充電的汽車數(shù)目有限戶外有線充電樁易受到侵害建專用充電站占用大量用地采用無線充電形式無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來，軌道交通將主導(dǎo)未來運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展的趨勢。目 前，采用無線方式為軌道

10、交通供電 也是目前的研究熱點(diǎn)之一無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 特種設(shè)備特種設(shè)備 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)) 微波飛機(jī)微波飛機(jī) 空間電力輸送空間電力輸送 電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁兼容問題電磁兼容問題 系統(tǒng)整體性能有待提高系統(tǒng)整體性能有待提高 產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題電磁輻射安全問題 對人身安全和周圍環(huán)境的影響需對人身安全和周圍環(huán)境的影響需要解決。要解決。 由于無線能量的傳輸既不像傳統(tǒng)由于無線能量的傳輸既不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制

11、也不像無線通上得到很好的控制也不像無線通訊那樣傳送微小的功率。訊那樣傳送微小的功率。 高能量的能量密度勢必會對人身高能量的能量密度勢必會對人身安全及健康帶來影響。安全及健康帶來影響。 對激光則在功率密度小于對激光則在功率密度小于2.5mW/cm2才能保證對人體無才能保證對人體無傷害。所以采用無線輸電時要考傷害。所以采用無線輸電時要考慮避慮避 免對人身的傷害。免對人身的傷害。當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題電磁兼容性 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，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，這就要求這就要求 系統(tǒng)本身具有較高的電磁

12、兼容指標(biāo)。系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問題，必 須存在三個因素，即電磁騷電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇 到電磁兼容問題時，要從這三個因素入手，對癥下藥，消除其中某一 個因素，就能解決電磁兼容問題。因此采取有效的因此采取有效的抗干擾措施、屏蔽抗干擾措施、屏蔽 技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉，重疊等造成不必要的避免交叉，重疊等造成不必要的 電磁干擾。電磁干擾。當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題系統(tǒng)整體性能有待提高 傳輸效率普遍不高。傳輸效率普遍不高。 目前無線能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓?，?/p>

13、要目前無線能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓?，主?原因是能量的控制比較困難，無法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對點(diǎn)原因是能量的控制比較困難，無法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對點(diǎn)的的 傳送在傳輸?shù)倪^程中會散射等損耗一部分能量，能傳送在傳輸?shù)倪^程中會散射等損耗一部分能量，能量轉(zhuǎn)換量轉(zhuǎn)換 器的效率不高也是影響整個系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因器的效率不高也是影響整個系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。素。 當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳 輸?shù)男室矔饾u輸?shù)男室矔饾u提高。提高。當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系 對于無線能量傳輸技術(shù)中幾個關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、對于無線能量傳輸技術(shù)中

14、幾個關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、 傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。 一般情況下，傳一般情況下，傳輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功率就越大。率就越大。 如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功率率 是無線輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一。也是小功率是無線輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一。也是小功率設(shè)備實(shí)設(shè)備實(shí) 現(xiàn)無線輸電的前提?，F(xiàn)無線輸電的前提。未來無線能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)想未來無線能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)想 2007年，美國麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Solja

15、cic）等人在無線電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無線充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），2010年8月31日，無線充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無線充電技術(shù)引入中國MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 2007年，美國麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Soljacic）等人在無線電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無線充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），

16、2010年8月31日，無線充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無線充電技術(shù)引入中國MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 無線電波式(輻射式) 基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主 要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路 可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載 作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。無線能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無線電方式問題主要在于其在能量傳輸過程中能量損耗太大，傳輸效率太低。 如果輻射是全方向性的,則能量傳輸效率會十分的低;如果是定向輻射,也要求具有不間斷可視的方位和十分復(fù)雜的追蹤儀器設(shè)備無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無線能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來，軌道交通將主導(dǎo)未來運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展的趨勢。目 前，采用無線方式為軌道交通供電 也是目前的研究熱點(diǎn)之一當(dāng)前需要解決的問題當(dāng)前需要解決的問題傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系 對于無線能量傳輸技術(shù)中幾個關(guān)鍵性的指標(biāo)