非接觸式電能傳輸

1、非接觸電能傳輸系統(tǒng)綜述摘要：電能的當(dāng)今最主要的能源之一，近年來興起的非接觸電能傳輸供電技術(shù)解決了傳統(tǒng)接 觸式供電的一些弊端。本文介紹了非接觸電能傳輸?shù)募夹g(shù)背景和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)比了 三種非接觸電能傳輸方法。然后著重介紹目前研究較為深入的感應(yīng)耦合電能傳輸(nductive Power Transfer, IPT在手機(jī)和電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域的最新研究成果和實(shí)際應(yīng)用。最后，文章總結(jié) 了非接觸電能傳輸?shù)难芯恳饬x和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：非接觸電能傳輸，感應(yīng)耦合，非接觸供電A Perspective of Wireless Power TransferAbstract： lectrical power is

2、one of the most important power forms nowadays. Recently, wirelesspower supply technique solved many disadvantages arousing in conventional form of powertransfer. The paper introduces the technique background and the achievement of the research inand aboard, and compares three kinds of method to ena

3、ble wireless power transfer. And then,the paper emphasizes the practical application of Inductive Power Transfer (IPT) in the wirelesscharging of mobile phone and electrical vehicle. Finally, the paper draws a conclusion of the vistaof wireless power transfer.Keywords:Wireless Power Transfer, induct

4、ively coupled, contactless power supply1引言電能是傳統(tǒng)石化燃料的主要替代能源，并且在實(shí)際應(yīng)用中電能也是最好的取代和應(yīng)用的 清潔能源之一。但是電池在目前的技術(shù)水平下有兩個(gè)個(gè)問題無法解決：一是充電時(shí)間長(zhǎng)；二 是續(xù)航時(shí)間短。各行業(yè)寄希望于電池行業(yè)能夠早日實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，解決掉這兩個(gè)技術(shù)難題。 然而，電池技術(shù)在短時(shí)間之內(nèi)是很難有質(zhì)的飛躍，所以各用電企業(yè)需要尋找一種現(xiàn)實(shí)的解決 方案，其中非接觸充電和供電是其中一個(gè)重要的研究方向。為了使移動(dòng)電子終端及電動(dòng)汽車用戶擺脫使用充電器充電、更換電池以及接插家電設(shè)備 電源線等麻煩。利用無線方式將電能傳輸?shù)剿卯a(chǎn)品的技術(shù)即將進(jìn)入實(shí)

5、際應(yīng)用階段。其中， 非接觸式充電，是一種只要將電子產(chǎn)品放在充電臺(tái)上就能充電的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)非接觸充電的技 術(shù)主要有三種形式：1、感應(yīng)耦合型；2、無線電接收型；3、共振型。目前，感應(yīng)耦合技術(shù)已經(jīng)在部分領(lǐng)域中得到應(yīng)用，包括電動(dòng)剃須刀、電動(dòng)牙刷、凈水器 和無線電話等。由于這種技術(shù)在增大功率等方面不斷取得進(jìn)展，已經(jīng)應(yīng)用到手機(jī)等出貨量非 常大的電子終端中。近幾年，隨著人們對(duì)清潔能源和電動(dòng)汽車的需求越來越大，國(guó)內(nèi)外的大 學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛開始著手研究電動(dòng)汽車方便、快捷、高效充電的方法，已取得一定的成果。另外，共振型非接觸電能傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、大功率的電能傳輸，可以應(yīng)用于電子終 端、電動(dòng)機(jī)車、水下、地下等用電設(shè)

6、備的充電和供電，但是目前還停留在研究階段。傳統(tǒng)供電技術(shù)是用電設(shè)備通過電纜、插頭等直接從電源獲取電能的供電模式，這種技術(shù) 也是目前整個(gè)電能領(lǐng)域普遍采用的一種方式。隨著電力半導(dǎo)體器件和電子技術(shù)的發(fā)展及控制 技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“高效率用電和高品質(zhì)用電”的目標(biāo)，傳統(tǒng)供電技術(shù)也已經(jīng)基本完 善。然而在一些特殊場(chǎng)合，這種供電方式同樣暴露了很多問題，如在礦場(chǎng)、油田等易燃易爆 區(qū)，由于電火花的產(chǎn)生及裸露導(dǎo)體的存在會(huì)使其存在很大的安全隱患。另外，水下、移動(dòng)備、便攜設(shè)備、生物醫(yī)療等，傳統(tǒng)供電方式已經(jīng)越來越不能滿足這些領(lǐng)域的用電要求。另一方面，電力電子技術(shù)所涉及的兩個(gè)方面:電能傳輸和信號(hào)傳遞，兩者往往相輔相成，

7、共存于同一系統(tǒng)之中，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，兩者的發(fā)展趨于同步，如今，信號(hào)的傳遞已經(jīng)可 以通過空氣等一些特殊媒介傳遞相當(dāng)長(zhǎng)的距離，極大的方便了人們的生活；而電能的傳輸仍 然通過導(dǎo)線直接相連進(jìn)行傳輸，其發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于信號(hào)傳遞的發(fā)展1。雖然電磁感應(yīng)原 理早在1840年提出，但對(duì)其認(rèn)識(shí)僅局限在常規(guī)變壓器和感應(yīng)電機(jī)之中，以空氣為媒介進(jìn)行 長(zhǎng)距離的電能傳輸很少有人進(jìn)行嘗試。兩方面的因素迫切要求開發(fā)一種新的電能傳輸技術(shù)， 使其能安全、可靠、方便的應(yīng)用于各種特殊場(chǎng)合，基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的非接觸式電能傳 輸系統(tǒng)的出現(xiàn)使之成為可能。非接觸式電能傳輸技術(shù)(Inductively Coupled Power Tran

8、sfer簡(jiǎn) 稱ICPT)已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項(xiàng)新的能量傳輸技術(shù)，目前，已有許多國(guó)外科研院所 和公司從事非接觸能量傳輸系統(tǒng)的研究，并已開發(fā)出相關(guān)技術(shù)。非接觸式電能傳輸技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理的一項(xiàng)新的能量傳輸技術(shù)，即用電設(shè)備以非 接觸方式從固定電網(wǎng)取電的技術(shù)，所以又可稱為非接觸感應(yīng)供電。這一技術(shù)能夠有效地克服 有線供電方式存在的設(shè)備移動(dòng)靈活性差、環(huán)境不美觀、容易產(chǎn)生接觸火花等問題，特別適用 于易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的安全供電，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)吊裝設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備、高層 建筑升降式電梯、城市電氣化交通、室內(nèi)電子設(shè)備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中電氣或電子設(shè)備的靈 活供電。2非接觸電能傳輸?shù)募夹g(shù)背景和研究

9、現(xiàn)狀2.1技術(shù)背景近幾年，使用非接觸電能傳輸技術(shù)供電的裝置已經(jīng)逐漸實(shí)用化，非接觸供電設(shè)備逐漸走 進(jìn)我們的日常生活。目前實(shí)現(xiàn)非接觸電能傳輸?shù)幕驹碇饕ㄒ韵氯N：1、電磁感應(yīng)型(e lectromagnetic induction type)；2、無線電接收型(radio reception type)；3、共振型(resonance type)。電磁感應(yīng)型即感應(yīng)耦合型(Inductive Power Transfer , IPT90年代初，奧克蘭大學(xué)以BOY 教授為首的課題組對(duì)ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,經(jīng)過十 多年

10、的努力，該技術(shù)在理論和實(shí)踐上取得了重大突破，包括有關(guān)發(fā)明專利11項(xiàng)1。2001年， 國(guó)內(nèi)開始著手研究，技術(shù)成果及產(chǎn)品較少，但進(jìn)步很快。IPT型功率可達(dá)數(shù)千瓦，但是兩個(gè)線圈的距離不能超過1cm。目前已經(jīng)有一些產(chǎn)品推向 市場(chǎng)，包括電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無繩電話和凈水器等小功率，對(duì)安全性和抗干擾性能要 求不高的家電產(chǎn)品。無線電接收型功率低，效率低。已經(jīng)研制出微型高效接收電路，可以捕捉無線電波能量， 在變負(fù)載情況下也保持穩(wěn)定的直流電壓。利用磁場(chǎng)共振原理解決無線電力傳輸?shù)木嚯x問題是由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)于2007 年提出的。MIT研究小組試制了無線電力傳輸裝置“磁場(chǎng)耦合共振器(magnetical

11、ly coupled resonators)”，利用一對(duì)具備LC電路特性的線圈組成一對(duì)天線，直徑有數(shù)十厘米。當(dāng)其中 一根天線通過幾MHz的交流電時(shí)，周圍產(chǎn)生振動(dòng)磁場(chǎng)，通過共振向位于數(shù)段波長(zhǎng)之內(nèi)的另 一根天線傳輸能量。傳輸距離為2m時(shí)效率約為40%，距離為1m時(shí)效率約為90%。MIT 研究小組采用磁場(chǎng)共振方式傳遞能量解決了能量散射問題，并把這一技術(shù)概念命名為 “Witricity ”。共振型功率可達(dá)數(shù)千瓦，距離可達(dá)數(shù)米，但是目前尚處于研究階段。與傳統(tǒng)供電方式相比，非接觸式電能傳輸技術(shù)有很大的優(yōu)點(diǎn)2： (1)由于用電設(shè)備和供 電設(shè)備之間無電氣連接，避免了的導(dǎo)線插頭之間的插拔，可以消除電火花的產(chǎn)生，

12、電氣的可 靠性和安全性得到了極大的提高；供電系統(tǒng)和能量拾取機(jī)構(gòu)的完全可分離，使二者可以 處于相對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不受連接線的限制，拓展了用電設(shè)備的使用空間；（3）可以同時(shí) 給多個(gè)負(fù)載供電；（4）由于供電系統(tǒng)和負(fù)載之間沒有機(jī)械磨損和摩擦，可以大大減少系統(tǒng)的 損耗，使設(shè)備易維護(hù)易管理；（5）一些特殊場(chǎng)所的供電如起搏裝置、水下供電等，傳統(tǒng)供電 方式難以實(shí)現(xiàn)。但是，由于非接觸電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用仍然不成熟，目前只有少數(shù)幾 個(gè)國(guó)家在某些領(lǐng)域中有所應(yīng)用。傳輸效率低也是限制其應(yīng)用的一個(gè)方面，為了提高效率的某 些設(shè)計(jì)，又使得其體積和成本增加。存在的電磁干擾問題也是在實(shí)際應(yīng)用中需要注意和改進(jìn) 的地方。另外，

13、影響其功率傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵因素一開關(guān)頻率，隨著開關(guān)頻率的提高，所產(chǎn) 生的輻射是否會(huì)對(duì)生物體造成傷害仍等待研究。2.2研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用最多的是感應(yīng)耦合型非接觸電能傳輸。新西蘭在非接觸電能傳輸技術(shù)上領(lǐng)先于其他國(guó)家，美國(guó)、日本緊隨其后。新西蘭（主要 是奧克蘭大學(xué)）在非接觸供電理論領(lǐng)域提出了多種有價(jià)值的原創(chuàng)電路拓?fù)?，美?guó)則將技術(shù)與 應(yīng)用并重，日本在該領(lǐng)域的實(shí)用方面有較大優(yōu)勢(shì)。中國(guó)申請(qǐng)專利主要是實(shí)用新型，原創(chuàng)發(fā)明 較少，德國(guó)和荷蘭將非接觸電能傳輸技術(shù)用用與交通和電器領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)投入精力持續(xù)研究的 單位較少，一般都是實(shí)用新型成果，電路拓?fù)鋫鬏斝实壬顚哟蔚难芯科?，缺乏穩(wěn)定、高 效的樣機(jī)。目前，電

14、能變換與補(bǔ)償，松散耦合變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是目前的兩個(gè)主要研究領(lǐng)域。尚存在 的問題主要包括：1、高頻、大功率條件下能量損耗突出；2、負(fù)載及電路參數(shù)變化與電路頻率匹配問題；3、電路智能控制及能量和信號(hào)的結(jié)合問題；4、松散耦合變壓器理論分析以及使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。2.3非接觸式電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景非接觸式電能傳輸技術(shù)作為一種新興的電力電子技術(shù)，應(yīng)用了諧振變換技術(shù)、軟開關(guān)切換 技術(shù)，借助現(xiàn)代控制理論和方法，實(shí)現(xiàn)了電能從靜止電源設(shè)備向移動(dòng)設(shè)備的非接觸傳遞。目 前，該技術(shù)已受到了廣泛關(guān)注，國(guó)外的許多科研機(jī)構(gòu)已開始此項(xiàng)技術(shù)的研究，據(jù)此研制的設(shè) 備也已在多個(gè)領(lǐng)域投入使用，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究和產(chǎn)品化的功率級(jí)別

15、也已經(jīng)從幾個(gè)千瓦發(fā)展 到幾百個(gè)千瓦。國(guó)內(nèi)也已有個(gè)別科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一些初步探索，并取得了一定的科研成果。非接觸式電能傳輸?shù)母拍钤谏鲜兰o(jì)80年代提出3，比較有代表性的研究機(jī)構(gòu)是新西 蘭奧克蘭大學(xué)電子與電氣工程系功率電子學(xué)研究中心，該中心從20世紀(jì)90年代開始主要 從事滑動(dòng)式非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的研究4-9。經(jīng)過十多年的努力，該技術(shù)在理論和實(shí)踐上 已獲得重大突破。主要研究集中在給移動(dòng)設(shè)備，特別是在惡劣環(huán)境下的供電問題，如電動(dòng)汽 車、起重機(jī)、運(yùn)貨車，以及水下、井下等設(shè)備。目前實(shí)用的設(shè)備已達(dá)到200kW，數(shù)公里的導(dǎo)軌距離和85%以上的傳輸效率，并己 在日本、德國(guó)、美國(guó)等地得到成功推廣。目前該技術(shù)典型的應(yīng)

16、用與商業(yè)化產(chǎn)品包括：日本“無線輸電器”告別電纜插座時(shí)代。這種新型的無線輸電器實(shí)際上是由4層塑膠薄 片構(gòu)成的感應(yīng)器，當(dāng)輸電器感應(yīng)到附近家電設(shè)備中的接收器時(shí)，就可以在特定區(qū)域提供無線 電能，形成磁場(chǎng)，通過接收器線圈把電力送給用電設(shè)備，而不需要線纜和插頭、插座。這種 設(shè)備小巧靈活，預(yù)計(jì)將很快能達(dá)到100W左右的傳輸功率。（2）新西蘭奧克蘭大學(xué)電子與電氣工程系功率電子學(xué)研究中心所屬奇思公司基于這些技術(shù)成 功地開發(fā)了兩項(xiàng)有關(guān)非接觸電能傳輸?shù)膶?shí)用項(xiàng)目：一是高速公路發(fā)光分道貓眼系統(tǒng)8，目 前運(yùn)行于新西蘭惠靈頓大隧道中；另一個(gè)使用于新西蘭Rotorua國(guó)家地?zé)峁珗@的40kW非接 觸充電電動(dòng)機(jī)車9。日本大阪富庫(kù)

17、公司的單軌行車和無電瓶自動(dòng)運(yùn)貨車。這些設(shè)備當(dāng)前已成功的用于許多材 料運(yùn)輸系統(tǒng)中，特別是在一些惡劣的環(huán)境下，如噴漆車間等10。德國(guó)奧姆富爾公司的載人電動(dòng)列車已試車成功10，在奧姆富爾總部的測(cè)試軌是目前為止 建造的最大的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)，總?cè)萘窟_(dá)150kW，軌道長(zhǎng)度近400m，氣隙為120mm。 該系統(tǒng)允許接收繞組向各個(gè)方向移動(dòng)的位置公差為50mm。該公司還成功地將這種新型非接 觸電能傳輸技術(shù)用于電動(dòng)游船的水下驅(qū)動(dòng)。美國(guó)通用汽車公司推出的EV1型電車非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)11 備受世人矚目。由美國(guó)通 用汽車公司的一個(gè)分公司Delco Electronics公司研制的Magne-charge是最先商

18、業(yè)化的電車 感應(yīng)耦合充電器之一，現(xiàn)正由Delco公司生產(chǎn)和出售，專門用于通用汽車的EV1型電動(dòng)車 充電。EVl型電車的一個(gè)電池組包括26個(gè)鉛酸電池，可儲(chǔ)存約16kWh的能量。要進(jìn)行充 電，只需將充電板插入車輛的充電端口即可。感應(yīng)耦合進(jìn)行能量傳遞的頻率可以在80kHz到 350kHz范圍內(nèi)變動(dòng)。充電可以反復(fù)進(jìn)行，過程簡(jiǎn)單、安全、高效。歸納起來，根據(jù)非接觸式電能傳輸系統(tǒng)能量發(fā)射部分結(jié)構(gòu)的不同可以分為電纜式和線圈 式。電纜式可視為原邊線圈為一匝的特殊供電系統(tǒng)，電源供給部分與能量拾取機(jī)構(gòu)相對(duì)距離 近，移動(dòng)距離大，適用于大功率場(chǎng)所，如電氣化鐵道的電力機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市有軌電車 或無軌電車的供電。線圈式

19、非接觸供電系統(tǒng)主要特點(diǎn)是能量發(fā)射部分和接收部分分別繞在可 分離變壓器的兩側(cè)，發(fā)射部分和接收部分均由多匝線圈繞制而成。設(shè)備體積小、重量輕、攜 帶方便，通常用于中小功率供電設(shè)備，如移動(dòng)設(shè)備的充電裝置，使用時(shí)只需將待充電部分放 到發(fā)射部分上即可感應(yīng)充電。雖然非接觸供電在近些年取得了許多成績(jī)，但傳輸距離仍然受到了很大限制。2007年， 來自美國(guó)MIT的一支科研團(tuán)隊(duì)將非接觸供電又往前推進(jìn)了一步，實(shí)現(xiàn)了 2m內(nèi)的電能傳輸， 傳輸功率達(dá)到了 60W，如圖1-2,即使中間有木板遮擋，也不影響能量的傳輸。有關(guān)新型非接觸電能傳輸系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)研究仍然在不斷進(jìn)行中，它涉及的領(lǐng)域也日漸 廣泛。除了有上述的交通、材料運(yùn)

20、輸?shù)阮I(lǐng)域外，還有生物醫(yī)學(xué)12-13、鉆井、工礦、水下作 業(yè)等領(lǐng)域。如飛機(jī)座位上的非接觸供電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)用于給每個(gè)座位上的娛樂設(shè)施提供能 量，每個(gè)單元大約消耗50W能量。密封的功率傳輸軌道嵌入乘客機(jī)艙的地板，座位上采用 感應(yīng)耦合功率接受繞組，與功率傳輸軌道相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)采用電流反饋耦合技術(shù)。該電能傳輸 裝置易拆裝，使座位在飛機(jī)上可以靈活的移動(dòng)，同時(shí)利用感應(yīng)耦合技術(shù)提高了系統(tǒng)的安全性、 可靠性和舒適度。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正利用這一技術(shù)進(jìn)行人工心臟和惡性腫瘤療法等13 的研究。 這些系統(tǒng)通過在病人皮膚下植入電路，由戴在病人腰間的感應(yīng)耦合裝置透過皮膚向體內(nèi)進(jìn)行 能量傳遞，開辟了新型的損傷性較小的醫(yī)療天地。由

21、于耦合裝置的放置以及病人皮膚的厚度 不同，系統(tǒng)的電力電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備必須能經(jīng)受耦合參數(shù)的變化?？梢钥闯?，非接觸電能傳輸系 統(tǒng)的研究已經(jīng)逐步深入，并展示出了巨大的發(fā)展前景。其前景主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 交通運(yùn)輸領(lǐng)域隨著人們環(huán)境意識(shí)的提高和對(duì)石油燃料資源耗盡危險(xiǎn)的警覺，未來的交通運(yùn)輸系統(tǒng)將逐漸向 著綠色、環(huán)保和電氣化的方向發(fā)展，未來的交通系統(tǒng)供電將為ICPT系統(tǒng)提供廣闊的市場(chǎng)。目前，電動(dòng)車是唯一可以滿足零排放的車輛，而且它既可以利用電池儲(chǔ)能，也可以給電 池充電。電動(dòng)車的電池充電問題將是未來的電動(dòng)汽車生產(chǎn)商面臨的最主要的問題。采用ICPT 系統(tǒng)為電動(dòng)車供電，可以克服傳統(tǒng)的充電方法帶來的電擊、易受環(huán)境影

22、響等不足，實(shí)現(xiàn)了電 能的綠色、安全、高效的傳輸。此外，未來的高速磁懸浮列車供電也是考慮中的應(yīng)用之一。磁懸浮列車是綜合了高新技 術(shù)的產(chǎn)物，脫離了傳統(tǒng)的輪軌運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了時(shí)速400km/h-500km/h高速運(yùn)行，是一種 新型的陸上高速運(yùn)輸工具，代表著21世紀(jì)高速鐵路技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。目前發(fā)展成熟的磁懸 浮列車分別是德國(guó)的常導(dǎo)電磁式懸浮列車和日本的起導(dǎo)電動(dòng)式懸浮列車。在列車時(shí)速比較高 的時(shí)候，都可以實(shí)現(xiàn)大功率的無接觸能量傳輸。但前提是列車必須高速運(yùn)行，在低速運(yùn)行時(shí)， 仍然需要其他的輔助設(shè)備來供電，這是其發(fā)展的一大不足?，F(xiàn)正處于研究階段的瑞士 Swissmetro磁懸浮系統(tǒng)，就采用這一技術(shù)進(jìn)行能量傳

23、遞，從而實(shí)現(xiàn)了電能在全速范圍內(nèi)的 傳輸。今后的有軌電車、地鐵都是ICPT系統(tǒng)的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。生產(chǎn)領(lǐng)域現(xiàn)在的生產(chǎn)行業(yè)正逐步向機(jī)器化、智能化方向發(fā)展。采用ICPT傳輸系統(tǒng)為機(jī)器人供電可以 保證能量和信號(hào)的安全、可靠的傳輸。此外，采用該系統(tǒng)可以解決目前在采礦、油田、水下 探測(cè)等環(huán)境較惡劣的行業(yè)中存在的電工設(shè)備供電問題?，F(xiàn)在許多海底石油、天然氣生產(chǎn)設(shè)備 都采用感應(yīng)能量傳輸器進(jìn)行充電。家用領(lǐng)域在家用電器領(lǐng)域非接觸式電能傳輸主要應(yīng)用于小型設(shè)備的充電方面如MP3，手機(jī)，筆記本 電腦等。采用非接觸供電可以有效解決更換電池、防水、連接線插拔等問題，另外供電系統(tǒng) 可以做到完全密封，沒有暴露的電源端口，在安全用電

24、方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。如果傳輸距離 得到有效解決，整個(gè)家庭照明都可以采用此項(xiàng)系統(tǒng)。其他領(lǐng)域例如在生物醫(yī)學(xué)，以及人們的日常生活領(lǐng)域中的應(yīng)用，如便攜式的家用電器，手機(jī)等的充 電器。該系統(tǒng)的研究必將導(dǎo)致大量新的研究領(lǐng)域的出現(xiàn)和產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，使電能的應(yīng) 用更為廣闊。它打破了在化工、鉆井、工礦、水下探測(cè)等特殊行業(yè)中的某些場(chǎng)合下的電工設(shè) 備饋電的限制，開拓了如在電動(dòng)汽車、高速磁懸浮列車饋電以及在生物醫(yī)學(xué)、家用電器等方 面的應(yīng)用。因此，該系統(tǒng)的研究不僅有重要的科學(xué)意義，而且有很大的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng) 用前景，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。利用ICPT系統(tǒng)，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳輸預(yù)示了電能傳輸系統(tǒng)可能出現(xiàn)的

25、第二次革命。 它的應(yīng)用潛力將是巨大的。2.4需要解決的問題雖然非接觸式電能傳輸技術(shù)己經(jīng)在某些領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用，但在以下幾個(gè)方面仍然需 要改進(jìn)：傳輸功率大小。電纜式非接觸供電系統(tǒng)最大傳輸功率已經(jīng)達(dá)到300kW，但是與傳統(tǒng)的供 電方式相比還有很大的差距，很多大功率用電設(shè)備還不能應(yīng)用該技術(shù)。線圈式非接觸供電系 統(tǒng)傳輸功率目前僅能做到100W左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)需求。電纜長(zhǎng)度與線圈距離。由電纜構(gòu)成的導(dǎo)軌可以與接收部分靠得很近，但受傳輸功率的限 制，電纜式非接觸供電系統(tǒng)的導(dǎo)軌長(zhǎng)度在幾公里范圍之內(nèi)，不能應(yīng)用在長(zhǎng)距離的運(yùn)輸系統(tǒng)中。 線圈式的優(yōu)點(diǎn)是可以將距離做大，但此距離僅僅是相對(duì)于電纜式而言，目前的最大

26、距離在 2m以內(nèi)。系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，某些受頻率控制的ICPT 系統(tǒng)容易進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。電磁兼容性。ICPT系統(tǒng)存在電磁干擾和電磁輻射問題，尤其對(duì)電纜式系統(tǒng)，由于導(dǎo)軌的 長(zhǎng)度較大，不容易對(duì)其進(jìn)行整體屏蔽，因此要提高導(dǎo)軌電流的質(zhì)量，減小諧波是減少電磁輻 射的根本方法。系統(tǒng)成本。由于非接觸系統(tǒng)損耗比傳統(tǒng)供電模式大，因此在電力電子器件的選擇上必須 盡量降低其功耗；另外，由于采用特殊電路，電力電子器件承受的電壓電流也比普通電路高 很多，通常這樣的器件價(jià)格昂貴，因此如何提高ICPT系統(tǒng)的性價(jià)比，也是需要解決的問題。3三種非接觸電能傳輸方式簡(jiǎn)介3.1電磁感應(yīng)耦合型概述

27、及原理電磁感應(yīng)型非接觸電能傳輸?shù)脑碇饕且淮蝹?cè)線圈和二次側(cè)線圈相鄰數(shù)厘米，在一次 側(cè)線圈中施加高頻交流電流，以電磁場(chǎng)作為媒介在二次側(cè)線圈感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。二次側(cè)經(jīng)過整 流濾波穩(wěn)壓，為移動(dòng)終端供電，從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸。該技術(shù)已經(jīng)逐漸普遍應(yīng)用于移動(dòng)終端非 接觸充電，效率可以達(dá)到70%以上，但是傳輸距離有限。感應(yīng)耦合電能傳輸利用變化的磁場(chǎng)耦合，通過一定的氣隙，以非接觸方式將電能傳輸?shù)?負(fù)載。相比傳統(tǒng)的導(dǎo)線接觸式電能傳輸，非接觸電能傳輸有一些內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。由于非接觸電 能傳輸是電氣隔離的，所以它可以工作于潮濕環(huán)境中或者其他不方便物理接觸的電能傳輸領(lǐng) 域。另外，相比于傳統(tǒng)的接插式接觸，非接觸電能傳輸不會(huì)產(chǎn)生污

28、染物，并且非?？煽?，不 需維修。依據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件不同，感應(yīng)耦合可以被分為分布式感應(yīng)耦合和集總式感應(yīng)耦合4。 分布式感應(yīng)耦合的一次側(cè)線圈是長(zhǎng)軌道形式，為移動(dòng)的二次側(cè)線圈充電。集總式感應(yīng)耦合的 耦合線圈包含兩個(gè)線圈平臺(tái)，當(dāng)兩個(gè)線圈處于一定距離之內(nèi)時(shí)，這兩個(gè)分離的線圈就可以實(shí) 現(xiàn)非接觸充電。對(duì)于不同的電路拓?fù)洌袘?yīng)耦合充電的適用功率范圍很大，從幾瓦到幾十千 瓦不等。電磁耦合型發(fā)送器能夠發(fā)送的距離很小，因此在便攜式應(yīng)用中，基本上還必須用電池， 其主要作用是減少充電時(shí)的麻煩。最近電磁感應(yīng)已經(jīng)被應(yīng)用與手機(jī)登移動(dòng)終端的充電和電動(dòng) 汽車的充電。非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1

29、所示。系統(tǒng)由原邊電路和副邊電路兩大 部分組成。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場(chǎng)耦合相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn) 換為磁場(chǎng)發(fā)射，經(jīng)過這段氣隙后副邊電路通過接受裝置，匝鏈磁力線，接受磁場(chǎng)能量，并通 過相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置，變換為應(yīng)用場(chǎng)合負(fù)載可以直接使用的電能形式，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸 式電能傳輸（文中負(fù)載用電阻表示以簡(jiǎn)化分析）。磁耦合裝置可以采用多種形式?；拘问?如圖2（a）原邊繞組和副邊繞組分別繞在分離的鐵芯上；圖2（b）原邊采用空芯繞組，副邊繞 組繞在鐵芯上；圖2（c）原邊采用長(zhǎng)電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。（a）原邊繞組 （b）原邊采用（c）原邊采用長(zhǎng)電纜繞在鐵芯上空芯繞組圖2 幾種基本的磁耦

30、僉裝置在該非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路之間較大氣隙的存在，一方面使得原副 邊無電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能傳輸?shù)墓逃腥毕?。另一方面較大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu) 成的磁耦合關(guān)系屬于松耦合（由此，這種新穎電能傳輸技術(shù)通常也稱為松耦合感應(yīng)電能傳輸 技術(shù)，記為L(zhǎng)CIPT），漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高，限制了電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏斝?率。為此，通常需要在原副邊采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來提升電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)男?，同時(shí)減小 電源變換器的電壓電流應(yīng)力。而且在該系統(tǒng)的分析中，因磁耦合裝置為松耦合，因此，通常 用于磁性元件分析的變壓器模型不再適用，必須采用耦合電感模型分析該系統(tǒng)中的電磁關(guān)系， 同時(shí)考慮漏感和磁化電

31、感對(duì)系統(tǒng)工作的影響。圖3 采用耦合電感模型的系統(tǒng)等效電路圖圖3給出磁耦合裝置采用耦合電感模型的系統(tǒng)等效電路圖。原副邊磁耦合裝置的互感記 為M。設(shè)原邊用于磁場(chǎng)發(fā)射的高頻載流線圈通過角頻率為3，電流有效值為Ip的交流電。根 據(jù)耦合關(guān)系，副邊電路接受線圈中將會(huì)感應(yīng)出電壓Voc=jwMIp （1）相應(yīng)的，諾頓等效電路短路電流為小件（2）若副邊線圈的品質(zhì)因數(shù)為Qs，則在以上參數(shù)下，副邊線圈能夠獲得的最大功率為 -滄（3） r5 -l從式（3）可以看出，提高電能傳輸?shù)拇笮】梢酝ㄟ^增大3, Ip，M和Qs或減小Ls。但 受應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械安裝和成本限制，LCIPT系統(tǒng)中，M值一般較小，而且一旦磁耦合裝置設(shè) 計(jì)完

32、成后，M和Ls的值就基本固定了。能夠作調(diào)整的是乘積量（wIp2Qs）。從工程設(shè)計(jì)角度 考慮，在參數(shù)選擇設(shè)計(jì)中，Qs 一般不會(huì)超過10，否則系統(tǒng)工作狀態(tài)將對(duì)負(fù)載變化、元件參 數(shù)變化和頻率變化非常敏感，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。由此對(duì)傳輸電能大小調(diào)節(jié)余度最大的是乘積 3lp2。從該關(guān)系式可見頻率與發(fā)射電流的關(guān)系：提高頻率3,可以減小原邊電流Ip，反之 亦然。在傳輸相等電能及其它相關(guān)量不變情況下，采用高頻的LCIPT系統(tǒng)與采用低頻的 LCIPT系統(tǒng)相比，所需的發(fā)射電流大大降低，電源變換器電流應(yīng)力及系統(tǒng)成本大大降低。 因而LCIPT比較適合采用高頻系統(tǒng)。但限于目前功率電子技術(shù)水平和磁場(chǎng)發(fā)射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 系統(tǒng)頻率受到

33、限制。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，系統(tǒng)采用的頻率范圍一般在10kHz100kHz之 間。系統(tǒng)補(bǔ)償1副邊補(bǔ)償在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，若副邊接受線圈直接與負(fù)載相連，系統(tǒng)輸出電壓和電流都會(huì)隨負(fù)載變化而變化，限制了功率傳輸。P (4)為此，必須對(duì)副邊進(jìn)行有效的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。如圖4所示，基本的補(bǔ)償拓?fù)溆须娙荽?lián)補(bǔ) 償和電容并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式。(a)未加補(bǔ)傍(b)電容串聯(lián)補(bǔ)借(c )電容并聯(lián)補(bǔ)信圖4副邊補(bǔ)償拓?fù)湓陔娙荽?lián)補(bǔ)償電路中，副邊網(wǎng)絡(luò)的阻抗為Zs - 7? + j（x）L. +輸出功率為P 二 L ( (6)當(dāng)補(bǔ)償電容Cs取值滿足與副邊電感Ls在系統(tǒng)工作頻率處諧振時(shí)，副邊網(wǎng)絡(luò)感抗與容 抗互消，為純電阻，輸出電

34、壓與負(fù)載無關(guān)，等效于輸出電壓為副邊開路電壓的恒壓源，理論 上電能傳輸不受限制。電容并聯(lián)補(bǔ)償電路副邊網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納為K 二牛 + - + j (v Cs (7)A J MU輸出功率為+ (co a - r式中：Isc為副邊短路電流。當(dāng)補(bǔ)償電容Cs取值滿足與副邊電感Ls在系統(tǒng)工作頻率處諧振時(shí)，副邊網(wǎng)絡(luò)感納與容 納互消，為純電導(dǎo)，輸出電流與負(fù)載無關(guān)，等于副邊短路電流，理論上電能傳輸不受限制。為使副邊諧振頻率為系統(tǒng)頻率，補(bǔ)償電容的取值應(yīng)滿足式（5）和式（7）中的虛部為零。在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，副邊電路對(duì)原邊電路的工作的影響，可以用副邊電路 反映至原邊電路的反映阻抗Zr來表示。7 a)M2 /、 匕=

35、一 (9)式中：Zs對(duì)應(yīng)副邊網(wǎng)絡(luò)阻抗，見式（5）和式（7），反映阻抗結(jié)果列于表1中（30為系統(tǒng)頻率）。表1原副邊采取不同補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)的補(bǔ)償電容及反映阻抗值副邊補(bǔ)償拓?fù)涓边呇a(bǔ)償電容Cs值副邊電路反映至原邊的阻抗電阻電抗電容串聯(lián)補(bǔ)償1/(302Ls)(302M2)/R0電容并聯(lián)補(bǔ)償1/(302Ls)(M2R)/Ls2一(302M2)/Ls2原邊補(bǔ)償LCIPT系統(tǒng)中，原邊載流線圈中流過有效值較高的高頻電流，可直接采用PWM工作方式的變換器獲得這一高頻電流，變換器的電壓電流定額較高，系統(tǒng)成本高。為此，必須采 取必要的補(bǔ)償措施，來有效降低變換器電壓電流定額。與副邊補(bǔ)償相似，根據(jù)電容接入電路 的連接方式，也

36、可采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種基本補(bǔ)償電路。在電容串聯(lián)補(bǔ)償電路中，電源的負(fù)載阻抗為Zi - j CijLv + 丁二，二 + Z. (10)電容電壓補(bǔ)償了原邊繞組上的電壓，從而降低了電源的電壓定額。 在電容并聯(lián)補(bǔ)償電路中，電源的負(fù)載導(dǎo)納為. 1W +(II)電容電流補(bǔ)償了原邊繞組中的電流，從而降低了電源的電流定額值。設(shè)計(jì)時(shí)保證式（10） 和式（11）的虛部在系統(tǒng)諧振頻率處為零，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得電壓電 流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。其結(jié)果列于表2中。-, VI 一表2原邊補(bǔ)償電容值副邊補(bǔ)償拓?fù)湓呇a(bǔ) 償拓?fù)湓呇a(bǔ)償電容值電容串電容串1聯(lián)補(bǔ)償聯(lián)補(bǔ)償電容串 聯(lián)補(bǔ)償電容并聯(lián)補(bǔ)償I2T

37、 現(xiàn)妒 電容并電容并1 /-WoLp -聯(lián)補(bǔ)償.1聯(lián)補(bǔ)償質(zhì)Rf MV I1 3心氐）電容并電容串（伽p）聯(lián)補(bǔ)償聯(lián)補(bǔ)償（普）+ （ 4）3原邊采取何種補(bǔ)償電路，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的依賴性很大。當(dāng)原邊采用較長(zhǎng)電纜時(shí)，電纜端電 壓會(huì)很高，適合采用串聯(lián)補(bǔ)償，降低電源電壓應(yīng)力；當(dāng)原邊采用集中繞組時(shí)，為了磁場(chǎng)發(fā)射 需要，一般要求較高電流，適合采用并聯(lián)補(bǔ)償，降低電源電流應(yīng)力7。系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制LCIPT系統(tǒng)中，原副邊都采用電容補(bǔ)償時(shí)， 系統(tǒng)是- -個(gè)四階系統(tǒng)，在某些情況下，會(huì) 出現(xiàn)分歧現(xiàn)象8。特別是在原邊電路的品質(zhì)因數(shù)Qp比副邊電路的品質(zhì)因數(shù)Qs小，或兩者 相當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)很可能不穩(wěn)定，此時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分

38、析。同時(shí)，在LCIPT系 統(tǒng)中，控制方案的合理選擇對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和電能傳輸能力非常關(guān)鍵。目前，常采用兩種基本控 制方案：恒頻控制和變頻控制9。恒頻控制有利于電路元件的選擇，但恒頻控制對(duì)應(yīng)的問題是，電路實(shí)際工作中電容不 可避免地會(huì)因?yàn)閾p耗產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致電容量下降，副邊實(shí)際工作諧振頻率會(huì)升高，原副邊電 路不同諧，使得電能傳輸受損10。變頻控制可以通過實(shí)時(shí)控制原邊諧振頻率，使其跟蹤副 邊諧振電路頻率，使得原副邊電路同諧，獲得最大電能傳輸。但在變頻控制中，電源輸入電壓和輸入電流相角與頻率之間的關(guān)系很可能出現(xiàn)分歧現(xiàn)象，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，必須對(duì) 原副邊的品質(zhì)因數(shù)加以嚴(yán)格限制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于緊耦合感應(yīng)電能傳輸

39、系統(tǒng)，原副邊的電能關(guān)系可以近似用原副邊匝比變換關(guān)系來 表示，因而其系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)獨(dú)立部分：原邊電路、緊耦合磁件、副邊電路，分別進(jìn) 行設(shè)計(jì)。緊耦合磁件的設(shè)計(jì)也有較成熟的設(shè)計(jì)步驟可依。但在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路的工作依賴性很大，如式（3）所示，原副 邊的電能傳輸關(guān)系由多個(gè)變量決定，這些變量必須根據(jù)現(xiàn)有功率電子水平，及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 初選一些值，然后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行下一步計(jì)算，確定參數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，所出現(xiàn)的 多個(gè)變量都必須進(jìn)行選擇，而這些變量并非孤立的，而是相互之間都存在著一定的制約關(guān)系。 因而，松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)要復(fù)雜得多。這里把松耦 合感

40、應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的每個(gè)變量的含義，及選取方法做一說明，并繪成相應(yīng)的流程圖， 如圖5所示，以便理解。設(shè)計(jì)步驟如下。1選擇頻率選擇系統(tǒng)工作頻率是LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，從式（3 ）可以看出，頻率大小的選取， 與電源的復(fù)雜程度、成本及系統(tǒng)電能傳輸大小有密切關(guān)系。要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)體積 重量要求、目前功率電子水平及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來選取頻率。就目前功率電子水平及系 統(tǒng)成本考慮，選擇10kHz100kHz之間的頻率比較合理。隨著功率電子水平的不斷進(jìn)步， 系統(tǒng)頻率可望進(jìn)一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。2選擇松耦合感應(yīng)裝置緊耦合感應(yīng)裝置（如廣泛采用的變壓器）的結(jié)構(gòu)一般受限于現(xiàn)有的鐵

41、芯結(jié)構(gòu)，因而結(jié) 構(gòu)形式有限。但松耦合感應(yīng)裝置卻不受鐵芯結(jié)構(gòu)限制，根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要，可能會(huì)出 現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式。在很大程度上，這些松耦合感應(yīng)裝置要依靠相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來選擇。確定 松耦合感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)后，要標(biāo)定一些基本的參數(shù)，如原副邊線圈電感量、耦合系數(shù)、互感等。3選擇原邊電流Ip在LCIPT系統(tǒng)中，傳輸電能大小、原邊電源變換器的成本都與用于磁場(chǎng)發(fā)射的原邊電 流Ip直接相關(guān)。一般從相對(duì)較小的電流值開始選取Ip，從而對(duì)應(yīng)電源的低電流應(yīng)力。若經(jīng) 計(jì)算后，這一 Ip電流值不滿足系統(tǒng)電能傳輸要求，可進(jìn)一步增大電流值，再進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證， 直至系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。4確定(VocIsc)值根據(jù)所選擇的電磁裝置，在

42、原邊電流為所選Ip時(shí)，測(cè)試出副邊接受線圈的開路電壓Voc 和短路電流Isc。確定這一乘積(VocIsc)也可以用一個(gè)與設(shè)計(jì)的接受線圈同匝數(shù)的小尺寸接 受線圈來完成，避免因?yàn)榻邮芫€圈電流定額不夠而返工。當(dāng)然，也可采用相應(yīng)的電磁場(chǎng)仿真 軟件包進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。但仿真設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜11。5確定副邊補(bǔ)償5.1副邊補(bǔ)償?shù)燃?jí)副邊電路不加補(bǔ)償時(shí)，負(fù)載能夠獲得的最大功率傳輸?shù)扔?VocIsc/2)11。如果負(fù)載所 需功率值超過這一值，則副邊需要采用補(bǔ)償電路，副邊電路的品質(zhì)因數(shù)可用式(12)計(jì)算。pQs 二豆了 (12) r O&f sc式中：P為至負(fù)載的傳輸功率。從而副邊所需要的VA定額為如果副邊實(shí)際的VA定額

43、高于式(13)的計(jì)算值，系統(tǒng)就可以傳輸所需的功率。反之，該 設(shè)計(jì)不能傳輸所需功率P，必須對(duì)設(shè)計(jì)作出相應(yīng)的調(diào)整來增加功率傳輸能力。一般可以考慮 以下4種途徑：加粗接受線圈繞組線徑或增大鐵芯截面積；增大原邊電流；改進(jìn)電磁裝置的耦合程度，提高互感值M；適當(dāng)提高系統(tǒng)頻率。第1種方案增加了副邊的成本；第2種方案增加了原邊的成本；第3種方案增加了松 耦合感應(yīng)裝置的成本；第4種方案受現(xiàn)有功率電子技術(shù)的限制。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮 性能和成本選擇性價(jià)比最好的方案作為最優(yōu)設(shè)計(jì)。5.2副邊補(bǔ)償拓?fù)洚?dāng)副邊VA定額滿足設(shè)計(jì)要求后，下一步就應(yīng)當(dāng)確定副邊補(bǔ)償具體采用的拓?fù)湫问?。補(bǔ) 償拓?fù)涞倪x擇依賴于具體的應(yīng)用場(chǎng)合。并聯(lián)補(bǔ)

44、償對(duì)應(yīng)電流源特性，適合于電池充電器等場(chǎng)合； 串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于電壓源特性，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電等場(chǎng)合。6確定原邊補(bǔ)償副邊補(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)原邊補(bǔ)償。根據(jù)已知的原邊電流和松耦合感應(yīng)裝置原邊繞 組電感量，可以確定原邊繞組端電壓。從而計(jì)算出原邊VA定額，用實(shí)際傳輸功率除以這一 VA定額，可以得到原邊品質(zhì)因數(shù)Qp的大小。如前所述，原邊補(bǔ)償電路形式也取決定于應(yīng) 用場(chǎng)合。當(dāng)原邊采用較長(zhǎng)電纜時(shí)，適合采用串聯(lián)補(bǔ)償；當(dāng)原邊采用集中繞組時(shí)，適合采用并 聯(lián)補(bǔ)償。7系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性核查最后一步要對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性進(jìn)行核查，這是系統(tǒng)能否在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合被采用的最 關(guān)鍵的一步。如上所述，若QpQs必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性

45、分析。若系統(tǒng)不能保證在 所有工作情況下控制穩(wěn)定，就必須對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。常用的方法包括增大原邊電流、改 進(jìn)松耦合感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)或改變系統(tǒng)頻率等。電路拓?fù)涓袘?yīng)耦合型電路拓?fù)淙缰饕幸韵聨追N形式,不同的電路拓?fù)溥m用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域以 及不同的功率等級(jí)。中.管委管C1由斜E推梅全麻式功功等魏油 g-inWIM 100WifikW成以上習(xí)神統(tǒng)別均甘升共頻率1MHz 以 r.iQQkHr-6Mt：z也用場(chǎng)吾器官科梏.手機(jī)犯電器官移樁充電辱電幼卑.運(yùn) 黃行車等電動(dòng)岳移物器官或各神充地器特點(diǎn)電路御軋功率4、般采用射頻方式1:魅額外的射鞭線圈山路簡(jiǎn)單.功率 較小小坳率的扇臺(tái)較大耳率成用廣邏(a)(b)(c)

46、(d)圖1是四種常用的電路拓?fù)湫问?，包括半橋型、全橋型、推挽式和反激式。圖1. (a)半橋逆變(b )全橋逆變(c)電流推挽(d)反激變換電路拓?fù)潆娙菅a(bǔ)償由于感應(yīng)耦合使用的松散耦合變壓器的耦合系數(shù)非常低，為了提高功率傳輸能力，通常 在松散耦合的變壓器兩側(cè)以并聯(lián)或串聯(lián)的電容作為補(bǔ)償，構(gòu)成諧振電路。電容補(bǔ)償形式包括 單側(cè)補(bǔ)償和兩側(cè)補(bǔ)償，分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式。圖2副邊均采用并聯(lián)補(bǔ)償，原邊分別采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。圖2(a)給出了采用電壓 源的原邊串聯(lián)電容補(bǔ)償電路。這種形式的電路可以以固定頻率工作。與并聯(lián)電容補(bǔ)償電路相 比，這個(gè)結(jié)構(gòu)由于諧振電流將流經(jīng)開關(guān)管，不宜在一次側(cè)產(chǎn)生大電流，因此更適

47、用于原邊線 圈較長(zhǎng)和小功率應(yīng)用。而采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)男问絼t更適合于需要較大原邊電流的情形。圖2(b) 給出采用電壓源的原邊并聯(lián)電容補(bǔ)償電路。一般來說，如果原邊采用并聯(lián)補(bǔ)償電容形式，多 采用電流源輸入。若采用電壓源，在諧振單元前端需增加一個(gè)電感。(a)(b)圖2. (a)原邊串聯(lián)補(bǔ)償(b)原邊并聯(lián)補(bǔ)償3.2無線電接收型無線電接收型非接觸電能傳輸?shù)脑碇饕抢锰炀€來發(fā)射和接收無線電波能量，不同 于以往的放大電路，而使用整流濾波電路將無線電波轉(zhuǎn)化成直流進(jìn)而應(yīng)用。無線電接收型距 離較遠(yuǎn)，但是傳輸效率和傳輸功率很不理想。電波接收型的最大發(fā)送距離長(zhǎng)達(dá)10m,但是， 能夠接收的功率很小，只有幾mW1000mW

48、。因此，其主要用途是在便攜式終端中提供待 機(jī)時(shí)消耗的功率。3.3共振型共振型非接觸電能傳輸技術(shù)利用電共振或磁共振。其基本原理主要是當(dāng)振蕩電路(接收 器)中有外加的周期性電動(dòng)勢(shì)作用時(shí)，將成為受迫振蕩；當(dāng)外加電動(dòng)勢(shì)的頻率與電路自由振 蕩的固有頻率相同時(shí)，振幅達(dá)最大值。接收器端經(jīng)過整流濾波，實(shí)現(xiàn)非接觸電能傳輸。 在美國(guó)已公開一種利用磁耦合共振器來傳輸電能的技術(shù)的專利。關(guān)于諧振型無線傳輸電能技 術(shù)，其電能發(fā)送距離可以達(dá)到3m4m，而且，可以發(fā)送高達(dá)幾kW的大功率。共振型非接觸電能傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)射器和接收器，通過電磁共振是傳輸?shù)哪芰康淖?大化。電磁感應(yīng)型非接觸電能傳輸技術(shù)的原理如圖3所示。如圖4所示

49、，當(dāng)元件固有頻率與發(fā)送端發(fā)射頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振，在特定頻率耦合強(qiáng)度很大。圖4,耦合強(qiáng)度與頻率的關(guān)系曲線如圖5所示，當(dāng)耦合距離達(dá)到一定值的時(shí)候耦合強(qiáng)度很大，之后隨著距離的增加耦合 強(qiáng)度迅速下降。圖5.耦合強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線4非接觸電能傳輸?shù)膽?yīng)用目前，非接觸電能傳輸平臺(tái)的研究主要涉及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等中小功率領(lǐng)域以及電動(dòng)汽 車等大功率領(lǐng)域。在已有的報(bào)道中，應(yīng)用于手機(jī)等電子產(chǎn)品的非接觸充電系統(tǒng)主要以感應(yīng)耦 合方式為主。近年來，感應(yīng)耦合已逐步走進(jìn)電動(dòng)汽車等大功率應(yīng)用領(lǐng)域。4.1手機(jī)等移動(dòng)終端充電利用感應(yīng)耦合電能傳輸原理設(shè)計(jì)的非接觸充電平臺(tái)研究成果如圖6所示(a)(b)（c）（d）（a） 一站式充電平臺(tái)

50、同時(shí)給多個(gè)電子設(shè)備充電（來源：香港城市大學(xué)）（b） AAK公司試制的手機(jī)充電模塊（來源:AAK）（c） Palm公司的Palm Pre及底座和專用手機(jī)后蓋等（來源：Palm）（d）高通公司研制的充電平臺(tái)及充電模塊（來源：美國(guó)高通）4.2電動(dòng)汽車上半個(gè)世紀(jì)以來，人們對(duì)替代傳統(tǒng)化石能源的環(huán)境友好能源的需求不斷增長(zhǎng)。使用清潔 能源的電動(dòng)汽車（EV）成為替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的備選方案之一。新型電動(dòng)汽車的研發(fā)經(jīng)歷 了數(shù)十年，然而一個(gè)最大的瓶頸就是電能的存儲(chǔ)容量和安全、方便地充電問題?，F(xiàn)在，電動(dòng) 汽車主要是利用接插式物理接觸充電，然而暴露在外的街頭會(huì)有潛在的安全問題，并且這并 不方便于人們的使用。所以，非接觸

51、充電系統(tǒng)（主要是感應(yīng)耦合式）可以通過一次側(cè)線圈對(duì) 停在其上的帶有二次側(cè)接收線圈的電動(dòng)汽車（EV）充電。充電平臺(tái)的實(shí)際考慮Pick-upConin4ler圖7是一個(gè)典型的感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)框圖，包括電氣隔離的兩部分，一、供電系統(tǒng)和 一次側(cè)線圈；二、二次測(cè)線圈和整流濾波穩(wěn)壓模塊。供電系統(tǒng)的電能經(jīng)過逆變產(chǎn)生超低頻信 號(hào)（典型值為5-550KHZ），通過一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的感應(yīng)耦合，將能量傳輸?shù)礁边叀?相對(duì)于傳統(tǒng)變壓器感應(yīng)耦合型變壓器的耦合系數(shù)很低，所以它使用的松散耦合變壓器需要工 作于較高頻率，以及一次側(cè)和二次側(cè)都需要電容補(bǔ)償。在沒有發(fā)生畸變的情況下，單個(gè)一次 側(cè)可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)二次側(cè)線圈。區(qū)訊哄巾A

52、 or three 6 會(huì)引起電路不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示：MTM圖11.負(fù)載線圈數(shù)對(duì)工作頻率的影響充電線圈設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)汽車的安全、高效、方便快捷的充電是非常必要的。如果充電平臺(tái)（一次側(cè)線圈） 過優(yōu)化設(shè)計(jì)，感應(yīng)耦合充電能夠滿足上述要求。對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的平臺(tái)需要在大氣隙和 非完全重合的情況下傳輸上千瓦的功率。另外充電平臺(tái)需要質(zhì)量輕、方便耐用。2009年， 新西蘭奧克蘭大學(xué)設(shè)計(jì)出一種在200mm間隙的充電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了 2KW的非接觸充電。感 應(yīng)耦合非接觸充電系統(tǒng)和充電線圈如圖12、13所示。圖12.非接觸充電系統(tǒng)框圖圖13.充電平臺(tái)分解圖傳統(tǒng)的類圓形線圈充電平臺(tái)的幾何外形限制了它的磁通，這導(dǎo)

53、致了在實(shí)際應(yīng)用中非常差 的相互耦合，如圖14所示。為了在兩線圈位置不完全重合的情況下有較好的表現(xiàn)，傳統(tǒng)線 圈需要做的非常大，非常重。奧克蘭大學(xué)的學(xué)者研發(fā)了一種新型的平臺(tái)拓?fù)浣鉀Q這個(gè)問題， 如圖15所示。相比于傳統(tǒng)的圓形線圈，這種拓?fù)錁O大程度上提高了傳輸效率。14. (a)圓形(bb)條形充電平臺(tái)磁場(chǎng)的二維仿真PosItiDn along paid (nml(b)沿長(zhǎng)度方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布(a)帶有背板的充電平臺(tái)圖15.雙向電能回饋電路拓?fù)鋫鹘y(tǒng)的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)是單相的，具有可逆整流器就可以實(shí)現(xiàn)電源為電動(dòng)汽車供電， 同時(shí)電動(dòng)汽車也可以回饋電能，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)?？赡嬲髌鲀啥说碾妷汉拖辔唤墙缍?

54、電能流動(dòng)的方向，如圖16所示。CnikliwlLir圖16.單相雙向IPT一種新型的應(yīng)用于大功率非接觸電能傳輸?shù)娜嚯p向IPT網(wǎng)絡(luò)原副邊分別具有三相電 路拓?fù)?。它可以通過松散耦合變壓器實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。相對(duì)于單相IPT網(wǎng)絡(luò)，三相網(wǎng)絡(luò)的 性能更加優(yōu)越，更加適合于需要快速充電的大功率應(yīng)用領(lǐng)域。圖17是三相IPPT網(wǎng)絡(luò)的電 路拓?fù)?。圖17.三相雙向IPT網(wǎng)絡(luò)5結(jié)語從非接觸電能傳輸開始研究以來，新西蘭、美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)在許多領(lǐng)域取得了越 來越多的成果以及實(shí)際應(yīng)用。近十年，國(guó)內(nèi)也開始了這方面的研究，但是我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的 技術(shù)差距還是比較大。非接觸式充電還存在很多技術(shù)問題最近，感應(yīng)耦合式非接觸電能傳

55、輸已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們的日常生活，包括手機(jī)等移動(dòng)用電 設(shè)備的充電以及最近研究較多的新能源電動(dòng)汽車的充電。非接觸充電能夠克服傳統(tǒng)電能傳輸 方式的很多缺點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)和研究?jī)r(jià)值。展望未來，隨著技術(shù)和材料的不斷進(jìn)步，效 率更高、更加安全可靠的非接觸供電將出現(xiàn)在我們的生活中。這將彌補(bǔ)移動(dòng)終端以及電動(dòng)汽 車電池續(xù)航能力差，充電不方便等缺點(diǎn)，進(jìn)一步方便我們的生活。為了提高用電系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性，以及擴(kuò)展電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍和適 用于一些特殊領(lǐng)域，非接觸式電能傳輸技術(shù)(ICPT )應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)以電磁感應(yīng)原理為理論 基礎(chǔ)，以松耦合變壓器設(shè)計(jì)和電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)為核心，以電磁耦合技術(shù)和電力電子技術(shù)為輔

56、助， 可以實(shí)現(xiàn)供電電源與移動(dòng)負(fù)載之間在沒有任何直接電氣連接和物理接觸，甚至存在相對(duì)運(yùn)動(dòng) 的情況下進(jìn)行能量傳輸。該技術(shù)研究起步較晚，目前雖取得部分成果，但仍有許多技術(shù)困難 等待解決。本文圍繞線圈式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要做了以下五個(gè)方面的工作：對(duì)非接觸式電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了深入的調(diào)研，通過查閱大量的資料對(duì)非接觸式電 能傳輸技術(shù)的產(chǎn)生背景、發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景有了深刻的了解并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì) 的闡述；闡述了非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，建立了接收電路的等效一端口電路，進(jìn) 而分析了松耦合變壓器的等效電路，根據(jù)松耦合變壓器的特點(diǎn)建立了整個(gè)系統(tǒng)的互感模型；利用諧振變換技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)非