無線能量傳輸技術(shù)高效應(yīng)用調(diào)研報(bào)告

1、無線能量傳輸技術(shù)高效應(yīng)用調(diào)研報(bào)告內(nèi)容提要n1、無線能量傳輸技術(shù)理論簡介n2、無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n3、無線能量傳輸中所存在的問題n4、總結(jié)和展望無線能量傳輸技術(shù)理論n無線能量傳輸技術(shù)（WPT），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。無線能量傳輸技術(shù)不同于人們?nèi)粘Ｋ吹降臒o線信號傳輸技術(shù)（無線電等），后者主要關(guān)注的是能否成功復(fù)原信號的信噪比這個(gè)參數(shù)，而前者則更著重于傳輸能量的功率效率參數(shù)。 無線能量傳輸技術(shù)理論n電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場；另一部分電磁場能量

2、脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場。n電磁輻射場根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同而區(qū)分為近區(qū)場（感應(yīng)場）和遠(yuǎn)區(qū)場（輻射場）。一般而言，以場源為中心，在三個(gè)波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場，也可稱為感應(yīng)場；在以場源為中心，半徑為三個(gè)波長之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場，也可稱為輻射場。 無線能量傳輸技術(shù)理論n近區(qū)場通常具有如下特點(diǎn)：n1、近區(qū)場內(nèi)，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系。一般情況下，對于電壓高電流小的場源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場要比磁場強(qiáng)得多，對于電壓低電流大的場源(如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模具)，磁場要比電場大得多。n2、近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場大得多。n3、近區(qū)場的電磁場強(qiáng)

3、度隨距離的變化比較快，在此空間內(nèi)的不均勻度較大。 n在近場區(qū)一般采用諧振耦合或者電磁感應(yīng)的模式進(jìn)行無線能量傳輸。無線能量傳輸技術(shù)理論磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖LC諧振電路該模式下的運(yùn)動(dòng)方程為：1）諧振耦合無線能量傳輸無線能量傳輸技術(shù)理論負(fù)載從接收器吸收的有用功率：系統(tǒng)的輻射功率： 發(fā)射器吸收的功率： 接收器吸收的功率： 外部干擾物體e吸收的功率： 系統(tǒng)的總功率：外部存在物體干擾時(shí)的耦合強(qiáng)度：無線能量傳輸技術(shù)理論2）感應(yīng)耦合無線能量傳輸感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)電路簡圖電路的阻抗傳遞公式矩陣表示為：無線能量傳輸技術(shù)理論n遠(yuǎn)區(qū)場的主要特點(diǎn)如下：n1、在遠(yuǎn)區(qū)場中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形

4、式輻射傳播，這種場輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場慢得多。n2、在遠(yuǎn)區(qū)場，電場與磁場的運(yùn)行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。n3、遠(yuǎn)區(qū)場為弱場，其電磁場強(qiáng)度均較小n 在遠(yuǎn)場區(qū)中，主要有兩種無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)：微波能量傳輸技術(shù)與激光能量傳輸技術(shù)。 無線能量傳輸技術(shù)理論n無線能量傳輸?shù)奶匦詿o線能量傳輸?shù)奶匦?n作為一種點(diǎn)對點(diǎn)的能量傳輸方式WPT具有以下特點(diǎn)：n l、能量源和耗能點(diǎn)之間的能量傳輸系統(tǒng)是無質(zhì)量的n 2、以光速傳輸能量n 3、能量傳輸方向可迅速變換n 4、在真空中傳遞能量無損耗n 5、波長較長時(shí)在大氣中能量傳遞損耗很小n 6、能量傳輸不受地球引力差的影響n 7、工作在微波波段換能器可以很

5、輕n這些特點(diǎn)絕大部分都是非常明顯的但是最后一個(gè)在空間應(yīng)用中特別重要。在太空中，唯一的主要能源的是太陽能。所有其它的能源，如燃料電池，電池組，核能，甚至可以吸收太陽能的天線陣列都必須克服重力才能傳輸?shù)教罩小５俏⒉ü┠芊绞綄⒅饕墓β试粗糜诘孛嬖谔罩兄涣粲姓枷到y(tǒng)質(zhì)量很小部分的濾波和整流設(shè)備從而避免了這個(gè)缺點(diǎn)。 無線能量傳輸技術(shù)理論n香港專業(yè)教育學(xué)院的研究人員對電磁感應(yīng)、無線電傳輸、諧振耦合三種無線能量傳輸方式進(jìn)行了比較，得到的比較表格如下所示。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

6、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理論n雖然這些能量傳輸方式都可以實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，但是他們也都有其不可克服的缺點(diǎn)。例如：電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其范圍內(nèi)的金屬都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會(huì)使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備；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；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。 無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n諧振磁耦合無線能量傳輸技術(shù) 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

7、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(shí)傳輸效率約為40，距離為1m時(shí)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%。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)美國匹茲堡大學(xué)孫民貴教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組對體內(nèi)植入電子器件的無線傳能進(jìn)行了深入研究，他們采用薄膜型螺旋線圈諧振器，實(shí)驗(yàn)中在20cm傳輸距離時(shí)傳輸效率可達(dá)50%。2010年，日本

8、富士通公司利用磁諧振無線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)為一個(gè)以上的設(shè)備充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示無線傳輸距離大約在15厘米左右，而且對多個(gè)設(shè)備充電時(shí)，設(shè)備相對于充電器的位置沒有任何限制。采用這項(xiàng)技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時(shí)間只有當(dāng)前的一百五十分之一。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授采用直徑50cm螺旋銅線圈串接電容的方式構(gòu)成諧振器，實(shí)現(xiàn)在0.7m距離時(shí)傳輸23W的能量，在傳輸距離為55cm時(shí)負(fù)載電壓獲得最大值，其最高傳輸效率接近50%。 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院孫躍教授帶領(lǐng)的課題組，攻克了無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，研制出的無線電能傳輸裝置能夠輸出600W至1000W的電能，傳輸效率

9、為70%，并且能夠向多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電，即使用電設(shè)備頻繁增減，也不會(huì)影響其供電的穩(wěn)定性。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n 香港理工大學(xué)傅為農(nóng)教授帶領(lǐng)的課題組對感應(yīng)耦合無線電能傳輸技術(shù)和磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并對兩種無線電能傳輸方式進(jìn)行了比較。他們采用平面薄膜諧振器，實(shí)驗(yàn)中，在發(fā)射諧振器和接收諧振器相距20cm時(shí)，傳輸效率為46%，諧振頻率為5.5MHz。然而如果利用感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式實(shí)現(xiàn)相同的傳輸效率，傳輸距離在0.5cm之內(nèi)。n 華南理工大學(xué)張波教授帶領(lǐng)的課題組從電路角度分析諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率與距離、線圈尺寸等之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)制作了多組不同線圈參數(shù)的諧振耦合

10、電能無線傳輸裝置，進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)；設(shè)計(jì)頻率跟蹤系統(tǒng)，解決了諧振耦合電能無線傳輸中由于諧振頻率失諧帶來的傳輸效率低下問題。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n感應(yīng)式無線能量傳輸 奧林巴斯醫(yī)療系統(tǒng)公司的小腸用膠囊內(nèi)窺鏡的構(gòu)造模式圖 2010年11月，英國 HaloIPT 公司在倫敦宣布，利用其最新研發(fā)的感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了為電動(dòng)汽車無線充電。 日本也在進(jìn)行這方面的研究。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)Powermat公司公司在2009年10月份發(fā)布了幾款無線充電器無線充電器系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品主要由底座和無線能量接收器組成，其中底座部分采用了超薄型設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)中的通用能量接收

11、器則可與被充電設(shè)備連接在一起。除了通用接收器之外，Powermat公司還專門為iPhone，iPod，任天堂游戲掌機(jī)，黑莓手機(jī)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)了專用的無線能量接收器的無線充電器無線充電器。 無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n體內(nèi)診療方面，主要有日本的東京大學(xué)、東北大學(xué)、武藏工業(yè)大學(xué)、美國的密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校等等，國內(nèi)的重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等都在進(jìn)行感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)的研究。 n國內(nèi)南京航空航天大學(xué)航天電源實(shí)驗(yàn)室也對電動(dòng)汽車的無線能量傳輸技術(shù)的幾種模式進(jìn)行了研究。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)n微波和激光的無線能量傳輸技術(shù)n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