無(wú)線電能傳輸

電動(dòng)汽車的無(wú)線能量傳輸概念綜述所謂無(wú)線電能傳輸(WirelssPowerTransmission wPT)就是借助于電磁場(chǎng)或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。無(wú)線輸電分為：電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式。電磁感應(yīng)可用于低功率、近距離傳輸；電磁共振適于中等功率、中等距離傳輸；電磁輻射則可用于大功率、遠(yuǎn)距離傳輸。近年來(lái)，一些便攜式電器如筆記本電腦、手機(jī)、音樂(lè)播放器等移動(dòng)設(shè)備都需要電池和充電。電源電線頻繁地拔插，既不安全，也容易磨損。一些充電器、電線、插座標(biāo)準(zhǔn)也并不完全統(tǒng)一，這樣即造成了浪費(fèi)，也形成了對(duì)環(huán)境的污染。而在特殊場(chǎng)合下，譬如礦井和石油開(kāi)采中，傳統(tǒng)輸電方式在安全上存在隱患。孤立的島嶼、工作于山頭的基站，很困難采用架設(shè)電線的傳統(tǒng)配電方式。在上述情形下，無(wú)線輸電便愈發(fā)顯得重要和迫切，因而它被美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)選為未來(lái)十大科研方向之一。在無(wú)線輸電方面，我國(guó)的研究才剛剛起步，較歐美落后。在此旨在闡述當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，分析無(wú)線輸電原理，為我國(guó)在無(wú)線輸電方面的深入研究提供參考。2無(wú)線電能傳輸?shù)脑?變壓器的疏松耦合非接觸式實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)物理連接傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開(kāi)，初、次級(jí)繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)在電源和負(fù)載單元之間進(jìn)行能量傳遞而不需物理連接6J。其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。理論和經(jīng)驗(yàn)都表明：當(dāng)原邊電流頻率、幅值越高，原、副邊距離越小，與空氣相比，磁芯周圍介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率越大時(shí)，可分離式變壓器的傳輸效率越高。但實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中原副邊距離不可能無(wú)限小，必須對(duì)原副邊采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，這種無(wú)線電能傳輸效率較低。電磁感應(yīng)現(xiàn)想是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電磁現(xiàn)想之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)是電磁學(xué)的基礎(chǔ)原理，變壓器就是利用電磁感應(yīng)的基本原理進(jìn)行工作的，變壓器由一個(gè)磁芯和兩個(gè)線圈，即初級(jí)線圈與次級(jí)線圈組成。當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓試，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。對(duì)圖1所示的變壓器基本電路，兩個(gè)端口的電壓降可表示為：V1=jwL1I1-jwMI2V2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2式中L1、L2和M分別為初級(jí)電感，次級(jí)電感與互感，ZL是負(fù)載電阻、初、次級(jí)耦合度可用耦合系數(shù)K來(lái)定義：K耦合系數(shù)反映變壓器的優(yōu)值，對(duì)于一個(gè)近似于理想的變壓器，可簡(jiǎn)單表示為：V1/V2^L1/L2^N1/N2式中N1與N2分別是兩個(gè)電感的匝數(shù)，就是所說(shuō)的電壓比等于匝數(shù)比。2.2基于電磁輻射的無(wú)線電力傳輸對(duì)無(wú)線電能傳輸來(lái)說(shuō)，能量傳遞的效率是最重要的。因此，方向性強(qiáng)、能量集中的激光與具有類似性質(zhì)的微波束是值得考慮的選擇。但激光光束在空間傳輸易受到空氣和塵埃的散射，非線性效應(yīng)明顯，且輸出功率小，因此微波輸能成為首選。微波輸能，就是將微波聚焦后定向發(fā)射出去，在接收端通過(guò)整流天線(rect-enna)把接收到的微波能量轉(zhuǎn)化為直流電能。⑴布朗的微波輸電系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代，WilliamC.Brown向世人展示的微波傳輸電能示意圖如圖2所示。該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出5?200W的功率；微波源輸出的能量通過(guò)同軸電纜連接至和波導(dǎo)管之間的適配器上；亞圖圖1變壓器示意圖圖2Splashpowe「系統(tǒng)示意圖2.3非輻射性諧振磁耦合方案2007年，美國(guó)麻省理工以MarinSolijacic為首的研究團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)無(wú)線傳輸電力的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室里放置著2個(gè)銅線圈，一個(gè)線圈通電，另一個(gè)放在離它2米外的房間中央，連著60瓦的燈泡，線圈間沒(méi)有任何導(dǎo)線。他們的裝置成功地將電力以無(wú)線的方式傳給燈泡，將它點(diǎn)亮。科學(xué)家們興奮地集合到2個(gè)線圈之間的位置，留下了合影(這也證明了不需要為這種傳輸清出直線通道)。圖3Wi加Wy無(wú)線供電原理示意圖電路A接在電源插座上，它將標(biāo)準(zhǔn)的60赫茲電流轉(zhuǎn)換成10百萬(wàn)赫茲，再送到傳輸線圈B。線圈B內(nèi)的振蕩電流產(chǎn)生10百萬(wàn)赫茲的磁場(chǎng)。接收線圈C的尺寸與線圈B絲毫不差，兩個(gè)線圈發(fā)生共振。接收線圈C通過(guò)磁感應(yīng)從傳輸線圈的磁場(chǎng)取得能源。共振磁場(chǎng)的能量，點(diǎn)亮連接在線圈C上的燈泡D（圖3）。這項(xiàng)稱為Witricity的無(wú)線供電技術(shù)，關(guān)鍵在于非輻射性磁耦合的使用，兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距離范圍，他要求被供電或充電的設(shè)備非?？拷袘?yīng)圈，因?yàn)榇艌?chǎng)能量會(huì)隨距離的增加而迅速衰減，因此而在傳統(tǒng)的磁感應(yīng)中，距離只能通過(guò)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)增加。與此不同，witricity使用匹配的諧振天線?？墒勾篷詈显趲子⒊叩木嚯x內(nèi)發(fā)生，而不需要增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。電磁波無(wú)限功率傳輸雖然有較長(zhǎng)的傳輸距離，但傳輸?shù)墓β手挥袔孜⑼叩綆缀镣?。該團(tuán)隊(duì)在成功地點(diǎn)點(diǎn)亮燈泡后，準(zhǔn)備通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)裝置來(lái)演示以無(wú)線電方式對(duì)筆記本電腦進(jìn)行供電。電能通過(guò)導(dǎo)線1輸送至10mhz諧振天線2,能量尾巴3到達(dá)6.5英尺外的接收線圈，接收線圈4以相同頻率諧振，接收的電能經(jīng)耦合匹配，整流后供筆記本電腦使用。來(lái)傳輸電能5駐留在諧振場(chǎng)中，不像輻射電磁波將很多電能浪費(fèi)在輻射空間中。圖4Witricity無(wú)線供泓^置示意圖這是一種非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)。例如在微波波段，一個(gè)號(hào)角波導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)衰減電磁波，倘若接收導(dǎo)波支持相應(yīng)效率的電磁波模式，即衰減場(chǎng)傳播波模式，能量就從一個(gè)媒體以隧道方式傳輸至另一個(gè)媒體。換句話說(shuō)，衰減波耦合是隧道效應(yīng)在電磁場(chǎng)中的具體體現(xiàn)。在本質(zhì)上，這個(gè)過(guò)程與量子隧道效應(yīng)相同，只是電磁波替代了量子力學(xué)中的波函數(shù)，這個(gè)方法也成為共振感應(yīng)耦合，以區(qū)別普通電磁感應(yīng)耦合，它使用單層線圈，兩端放置一個(gè)平板電容器，共同組成諧振回路，減少能量的浪費(fèi)。諧振耦合雖能增加傳輸距離，但因增加了一個(gè)電容器，高品質(zhì)因子表明諧振時(shí)能量損耗少，另一方面，高品質(zhì)因子意味著諧振帶寬窄，會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困難。除了上述因素，還要考慮：（1） 安全性：人們佩戴的金屬質(zhì)項(xiàng)圈、項(xiàng)鏈等也是一個(gè)環(huán)形線圈，在某些場(chǎng)合若形成諧振賄賂會(huì)影響系統(tǒng)工作，也存在一些不安全因素。（2） 串?dāng)_：串?dāng)_是同一個(gè)場(chǎng)所內(nèi)各種電磁波間不希望有的耦合。這個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)實(shí)存在的，應(yīng)予以關(guān)注和解決。（3）效率：線圈之間的耦合有極強(qiáng)的方向性。平行時(shí)耦合強(qiáng)，垂直時(shí)幾乎沒(méi)有耦合，被供電設(shè)備的放置會(huì)對(duì)效率有很大影響。無(wú)論哪一種無(wú)線供電方案，都存在一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。一是傳輸效率不高的問(wèn)題。比如點(diǎn)亮燈泡時(shí)，電力在傳送中流失了45%，因此輸電效率必須提高一倍才有望取代化學(xué)電池。二是安全性問(wèn)題，無(wú)線傳輸能量產(chǎn)生的電磁波對(duì)生物的輻射作用多大還沒(méi)有認(rèn)知，在某些場(chǎng)合若形成諧振回路會(huì)影響系統(tǒng)工作.也存在一些不安全因素。三是有效傳輸距離的遠(yuǎn)近，日前在兒英尺的距離內(nèi)傳輸，離實(shí)用相差很遠(yuǎn)。四是傳輸功率的大小。無(wú)線供電技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。就目前情況而論，該項(xiàng)技術(shù)還處于探索階段，雖然已有一些初級(jí)產(chǎn)品，在實(shí)用化、普及化之前，還有大量的工作要做，存在的問(wèn)題也有待解決。人們期待無(wú)線供電技術(shù)有新的突破，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)限輸送能量。方便人們的生活。4.1新型感應(yīng)耦合能量傳輸機(jī)理新型感應(yīng)耦合能量傳遞機(jī)理與變壓器傳遞功率有類似之處，即都是通過(guò)電磁感應(yīng)原理將能量由一次側(cè)傳遞到二次能量接收側(cè)。但與傳統(tǒng)變壓器不同的是：（1）變壓器的原邊線圈通常都是多匝線圈，而在新型能量傳輸模式中，原邊僅僅是一根載流體（相當(dāng)于一匝線圈）；（2）變壓器原副邊均采用緊密耦合且磁場(chǎng)介質(zhì)通常采用具有高磁導(dǎo)特性的鐵磁性材料，具有很高的傳輸效率，而新型電能無(wú)線傳輸模式由于安全的需要或機(jī)械因素的限制，初次級(jí)之間有一定的距離，使系統(tǒng)的能量發(fā)射端（原邊）與能量接受端（副邊）具有較大的間隔，致使磁場(chǎng)傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，其耦合程度大大降低。因此，新型能量感應(yīng)耦合傳輸同傳統(tǒng)變壓器的能量傳輸具有根本的區(qū)別，對(duì)這種新型電能傳輸模式的機(jī)理和能量傳輸模型進(jìn)行深入地探索和研究是該技術(shù)的核心和關(guān)鍵所在。新型感應(yīng)耦合能量無(wú)線傳輸系統(tǒng)是通過(guò)使用特殊結(jié)構(gòu)變壓器的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在這種變壓器中，初級(jí)能量通過(guò)氣隙或其他介質(zhì)感應(yīng)耦合到次級(jí)，因此和傳統(tǒng)變壓器有很大的不同，較大氣隙導(dǎo)致變壓器具有較大漏感，其儲(chǔ)能降低變壓器效率并增加器件應(yīng)力。因此，利用漏感的電路拓?fù)淙缰C振或軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涫墙鉀Q這一問(wèn)題的較優(yōu)選擇。4.2能量無(wú)線傳輸?shù)男试谛滦湍芰總鬏斚到y(tǒng)中，能量損耗主要包括初級(jí)損耗、耦合損耗及次級(jí)損耗三大部分。初級(jí)損耗主要指電網(wǎng)能量經(jīng)整流濾波及高頻逆變過(guò)程的能量損耗，主要是開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，本課題擬采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)加以解決；耦合損耗是該系統(tǒng)能耗的主要部分，因?yàn)榇艌?chǎng)傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，造成感應(yīng)效率較低，在本課題采用高頻（10?30kHz）傳輸磁場(chǎng)和合理的變壓器結(jié)構(gòu)提高耦合的效果和程度；能量耦合后還要經(jīng)過(guò)變換后為負(fù)載所用，在變換過(guò)程中也會(huì)存存一部分能量損失，減少次級(jí)能量變換過(guò)程的開(kāi)關(guān)損耗和輸出回路的無(wú)功功率補(bǔ)償也是本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容之一。4.3能量無(wú)線傳輸容量和距離能量無(wú)線傳輸?shù)娜萘亢途嚯x決定新型能量傳輸模式的應(yīng)用范同和程度。傳輸距離增大，耦合效率降低，為了提高效率，就必須提高電磁能的頻率，傳輸頻率的提高會(huì)對(duì)傳輸容量有一定的制約。通過(guò)采用科學(xué)有效的技術(shù)措施（如高頻逆變后耦合、力爭(zhēng)減小功耗、合理的變壓器結(jié)構(gòu)等），力圖使電能具有較大的傳輸容量和較遠(yuǎn)的傳輸距離。4.4能量傳輸?shù)陌踩院涂煽啃园踩院涂煽啃允悄芰總鬟f的前提。在新型能量傳輸系統(tǒng)中包含大功率整流濾波、高頻逆變，遠(yuǎn)距離感應(yīng)耦合、次級(jí)整流濾波等環(huán)節(jié)，不可避免的存在較強(qiáng)的電磁干擾及能量輻射，對(duì)電網(wǎng)及周圍用電設(shè)備甚至人體都可能存在一定程度的負(fù)面效應(yīng)。因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性和可靠性設(shè)計(jì)也是本課題的核心研究?jī)?nèi)容。無(wú)線充電器的設(shè)計(jì):介紹了一種由常用電子器件構(gòu)成.以射頻電路、接收控制電路為核心，以電感線圈實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳能的無(wú)線充電器，簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。1無(wú)線充電器原理與結(jié)構(gòu)無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理.通過(guò)線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過(guò)電源管理模塊后輸出的直流電通過(guò)2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級(jí)繞組。通過(guò)2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)線圈輸出的電流經(jīng)接收轉(zhuǎn)換電路變換成直流電為電池充電。無(wú)妹充電器系醯框圖喧成電交旅電無(wú)妹充電器系醯框圖喧成電交旅電￡S一-!三=--L圖1無(wú)線充電器系統(tǒng)框圖2硬件電路設(shè)計(jì)2.1電源管理模塊如圖2所示，交直流兩路電源分別接繼電器的常開(kāi)和常閉端給能量發(fā)送單元供電。此時(shí)若交流電存在，選擇交流供電，同時(shí)斷開(kāi)直流供電，在交流電停電時(shí)，則自動(dòng)切換直流供電。

S2供電電皿電路2.2發(fā)射電路模塊如圖3,主振電路采用2MHz有源品振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過(guò)二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出全線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為接收部分提供能量。測(cè)得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為0.5mm，直徑為7cm，電感為47uH.載波頻率為2MHz。根據(jù)并聯(lián)諧振公式[3]得匹配電