學(xué)術(shù)講座之無線電力傳輸技術(shù)2

1、1無線電力傳輸技術(shù)無線電力傳輸技術(shù) 任晶鼎任晶鼎 2015年9月21日待解決的問題待解決的問題 電磁輻射安全安全問題電磁兼容兼容問題系統(tǒng)整體性能性能的提高產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一電力公司如何計(jì)費(fèi)、收費(fèi)電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 傳統(tǒng)供電傳統(tǒng)供電：傳輸路徑上，能量可控。無線通訊無線通訊：微小功率。無線電力傳輸無線電力傳輸：路徑上能量不易控；能量功率較大。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 危害機(jī)理危害機(jī)理：熱效應(yīng)熱效應(yīng)：人體是導(dǎo)體，接受電磁波而產(chǎn)生渦流，發(fā)熱。非熱效應(yīng)非熱效應(yīng)：人體組織和器官存在微弱電磁場(chǎng)，受電磁波而破壞平衡，影響人體機(jī)能。積累效應(yīng)積累效應(yīng)：高能電磁輻射造成的危害未來得及自我

2、修復(fù)之前再次受到輻射，傷害程度就會(huì)積累。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全及健康帶來影響。 如：地磁場(chǎng)50-60T，核磁共振0.5-4T；陽光的功率密度一般為100mW/cm2。所以采用無線輸電時(shí)要考慮避免對(duì)人身的傷害。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁感應(yīng)短程傳輸電磁感應(yīng)短程傳輸?shù)皖l磁場(chǎng)會(huì)隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場(chǎng)的強(qiáng)度。會(huì)增加電能的消耗；可能會(huì)導(dǎo)致附近使用磁信號(hào)來記錄信息的設(shè)備失效。 電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁耦合共振中程傳輸電磁耦合共振中程傳輸“中程”距離：可達(dá)感應(yīng)線圈半徑8倍的距離。發(fā)射裝置與能量源相連，并

3、不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，在發(fā)射線圈周圍形成一個(gè)非輻射非輻射磁場(chǎng)磁場(chǎng)，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 電磁耦合共振中程傳輸電磁耦合共振中程傳輸能量的傳輸是在一個(gè)共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對(duì)系統(tǒng)外的物體（非共振頻率）不會(huì)產(chǎn)生影響。一般情況，其磁場(chǎng)強(qiáng)度與地磁場(chǎng)相似， 50-60T電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 微波微波/激光遠(yuǎn)程傳輸激光遠(yuǎn)程傳輸無線電波波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散越??；電力通過

4、振蕩器變換成微波/激光電力，從送電的天線向遠(yuǎn)處以微波/激光形式無線送電；接收天線由半波長(zhǎng)的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收微波/激光并轉(zhuǎn)為直流電力。電磁輻射安全問題電磁輻射安全問題 微波微波/激光遠(yuǎn)程傳輸激光遠(yuǎn)程傳輸微波：頻率為300MHz300GHz的電磁波 ；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云層。激光：3.846*10(14)Hz到7.895*10(14)Hz。障礙物會(huì)影響激光與接收裝置之間的能量交換，穿越云層能量損耗大。在接收整流天線口徑面以外的區(qū)域口徑面以外的區(qū)域基本都是符合輻射安全標(biāo)準(zhǔn)的，在接收天線口徑面內(nèi)口徑面內(nèi)的輻射相對(duì)較

5、強(qiáng)，需要在接收系統(tǒng)外圍建立保護(hù)禁區(qū)。目前一般采用的微波功率密度約為5mW/cm2電磁兼容問題電磁兼容問題 無線能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周圍空間會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，這無線能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周圍空間會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，這就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。電磁兼容性問題三個(gè)因素：電磁干擾源；電磁干擾源；耦合途徑；耦合途徑；敏感設(shè)備敏感設(shè)備。從這三個(gè)因素入手，對(duì)癥下藥，消除其中某一個(gè)因素，就能解決電磁兼容問題。因此采取有效的抗干擾措施抗干擾措施、屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉避免交叉、重疊重疊等造成不必要的電磁干擾。微波

6、電磁兼容問題微波電磁兼容問題微波：頻率為300MHz300GHz的電磁波 ；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，這兩個(gè)頻率已經(jīng)分配給ITUR無線廣播、工業(yè)和醫(yī)學(xué)當(dāng)中使用。同頻率間的電磁干擾是必須考慮的。同頻率間的電磁干擾是必須考慮的。電磁兼容問題電磁兼容問題 整體性能的提高整體性能的提高 電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式：包括輸入整流輸入整流、高頻逆變高頻逆變、可分離變壓器可分離變壓器和輸出整流輸出整流濾波等環(huán)節(jié)?？煞蛛x變壓器按其原邊與副邊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況又可分為：靜止、旋轉(zhuǎn)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)三種形式。整體性能的提高整體性能的提高 電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式：滿足要求的前提下，縮短傳輸距離縮短傳

7、輸距離，提高效率；提高原邊與副邊的橫向位置精確度位置精確度；避免金屬異物避免金屬異物進(jìn)入傳輸線圈之間引起局部發(fā)熱現(xiàn)象。整體性能的提高整體性能的提高 電磁耦合共振式電磁耦合共振式：由RF電路產(chǎn)生與諧振線圈固有頻率相同的高頻正弦信號(hào)，經(jīng)過線性功率放大之后，注入到發(fā)送端LC諧振線圈，經(jīng)過非輻射性高頻磁場(chǎng)耦合，能量傳遞到接收端諧振線圈，經(jīng)過輸出整流濾波之后為負(fù)載供給能量。整體性能的提高整體性能的提高 電磁耦合共振式電磁耦合共振式：傳輸距離一般為8倍線圈距離?？s小銅線圈縮小銅線圈；增大傳輸距離增大傳輸距離。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式：系統(tǒng)先把電能轉(zhuǎn)換成微波（采用的典型頻率約為2.4GHZ

8、），經(jīng)過發(fā)射天線將能量由自由空間傳遞到接收天線,再經(jīng)過微波整流器件,把微波轉(zhuǎn)換成電能，從而實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式：高性能天線；微波源；微波接收整流設(shè)備。整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-高性能天線高性能天線：高方向性天線-八木天線；整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-高性能天線高性能天線：高方向性天線-反射面天線；整體性能的提高整體性能的提高 微波式微波式-微波源微波源：微波電子管在高電壓下可以放大較高功率的微波，具有較高的效率（70%）；半導(dǎo)體放大器通常只放大低功率微波，其所需要的電壓也比較低，然而它的成本卻較高。整體性能的提高整體性能

9、的提高 微波式微波式-整流設(shè)備整流設(shè)備：硅整流二極管天線硅整流二極管天線：由一個(gè)天線及高頻整流電路所構(gòu)成，高頻整流電路能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘?hào)經(jīng)由肖特基二極管整流成直流電源。如：一個(gè)微波吸收效率為85%的硅整流二極管天線，其覆蓋直徑為5km。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一 Qi標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景 設(shè)備使用的充電器千差萬別，電源插口形式、設(shè)備插口形式、電壓等級(jí)、電流容量均存在較大差異，因此往往每臺(tái)設(shè)備都配有專用的電源轉(zhuǎn)換器，這既產(chǎn)生了極大的浪費(fèi)和污染。 一個(gè)充電設(shè)備可供各種不同企業(yè)、不同品牌的便攜終端充電，Qi應(yīng)運(yùn)而來。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一 Qi 標(biāo)準(zhǔn)與無線充電聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)與無線充電聯(lián)盟2008

10、年12 月17 日多家國(guó)際電子設(shè)備廠商聯(lián)合成立了無了無線充電聯(lián)盟線充電聯(lián)盟（WPC），目標(biāo)是制定一種在便攜式電子產(chǎn)品-手機(jī)、電腦配件、照相機(jī)、遙控器、醫(yī)療及個(gè)人護(hù)理等各種電子設(shè)備中廣泛采用的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即Qi 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于2010 年7 月制訂，2010 年8 月31 日無線充電聯(lián)盟宣布已向其成員交付了Qi 標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，并將該標(biāo)準(zhǔn)引入了中國(guó)。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理目前WPC 確定的Qi 標(biāo)準(zhǔn)1.0 版本是低功率技術(shù)規(guī)范，針對(duì)不超過5 瓦特的電子設(shè)備。針對(duì)不超過120 瓦特的中等功率技術(shù)規(guī)范制定工作也已于2010 年10 月啟動(dòng)。第一部分對(duì)無線充電器及接收器的界面界面進(jìn)行定義；第二部分和第三部分是對(duì)產(chǎn)品的表現(xiàn)要求和認(rèn)證測(cè)表現(xiàn)要求和認(rèn)證測(cè)試試的要求。只有獲得認(rèn)證的產(chǎn)品才能允許使用Qi 標(biāo)識(shí)。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理Qi 標(biāo)準(zhǔn)下的無線充電設(shè)備包括：可接公共電源的無線充電板；符合Qi 標(biāo)準(zhǔn)的接收器。后者