非接触电能传输系统概述

1、非接触电能传输系统概述摘要：电能的当今最主要的能源之一，近年来兴起的非接触电能传输供电技术解决了传统接 触式供电的一些弊端。本文介绍了非接触电能传输的技术背景和国内外的研究现状，对比了 三种非接触电能传输方法。然后着重介绍目前研究较为深入的感应耦合电能传输(nductive Power Transfer, IPT在手机和电动汽车充电领域的最新研究成果和实际应用。最后，文章总结 了非接触电能传输的研究意义和发展前景。关键词：非接触电能传输，感应耦合，非接触供电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引言电能是传统石化燃料的主要替代能源，并且在实际应用中电能也是最好的取代和应用的 清洁能源之一。但是电池在目前的技术水平下有两个个问题无法解决：一是充电时间长；二 是续航时间短。各行业寄希望于电池行业能够早日实现技术突破，解决掉这两个技术难题。 然而，电池技术在短时间之内是很难有质的飞跃，所以各用电企业需要寻找一种现实的解决 方案，其中非接触充电和供电是其中一个重要的研究方向。为了使移动电子终端及电动汽车用户摆脱使用充电器充电、更换电池以及接插家电设备 电源线等麻烦。利用无线方式将电能传输到所用产品的技术即将进入实

5、际应用阶段。其中， 非接触式充电，是一种只要将电子产品放在充电台上就能充电的技术。实现非接触充电的技 术主要有三种形式：1、感应耦合型；2、无线电接收型；3、共振型。目前，感应耦合技术已经在部分领域中得到应用，包括电动剃须刀、电动牙刷、净水器 和无线电话等。由于这种技术在增大功率等方面不断取得进展，已经应用到手机等出货量非 常大的电子终端中。近几年，随着人们对清洁能源和电动汽车的需求越来越大，国内外的大 学和研究机构纷纷开始着手研究电动汽车方便、快捷、高效充电的方法，已取得一定的成果。另外，共振型非接触电能传输能够实现远距离、大功率的电能传输，可以应用于电子终 端、电动机车、水下、地下等用电设

6、备的充电和供电，但是目前还停留在研究阶段。2非接触电能传输的技术背景和研究现状2.1技术背景近几年，使用非接触电能传输技术供电的装置已经逐渐实用化，非接触供电设备逐渐走 进我们的日常生活。目前实现非接触电能传输的基本原理主要包括以下三种：1、电磁感应型(e lectromagnetic induction type)；2、无线电接收型(radio reception type)；3、共振型(resonance type)。电磁感应型即感应耦合型(Inductive Power Transfer , IPT90年代初，奥克兰大学以BOY 教授为首的课题组对ICPT(Inductively Cou

7、pled Power Transfer)技术进行了系统的研究,经过十 多年的努力，该技术在理论和实践上取得了重大突破，包括有关发明专利11项1。2001年， 国内开始着手研究，技术成果及产品较少，但进步很快。IPT型功率可达数千瓦，但是两个线圈的距离不能超过1cm。目前已经有一些产品推向 市场，包括电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话和净水器等小功率，对安全性和抗干扰性能要 求不高的家电产品。无线电接收型功率低，效率低。已经研制出微型高效接收电路，可以捕捉无线电波能量， 在变负载情况下也保持稳定的直流电压。利用磁场共振原理解决无线电力传输的距离问题是由美国麻省理工学院(MIT)于2007 年提出的。

8、MIT研究小组试制了无线电力传输装置“磁场耦合共振器(magnetically coupled resonators)”，利用一对具备LC电路特性的线圈组成一对天线，直径有数十厘米。当其中 一根天线通过几MHz的交流电时，周围产生振动磁场，通过共振向位于数段波长之内的另 一根天线传输能量。传输距离为2m时效率约为40%，距离为1m时效率约为90%。MIT 研究小组采用磁场共振方式传递能量解决了能量散射问题，并把这一技术概念命名为“Witricity”。共振型功率可达数千瓦，距离可达数米，但是目前尚处于研究阶段。2.2研究现状目前国内外研究和应用最多的是感应耦合型非接触电能传输。新西兰在非接触电

9、能传输技术上领先于其他国家，美国、日本紧随其后。新西兰(主要 是奥克兰大学)在非接触供电理论领域提出了多种有价值的原创电路拓扑，美国则将技术与 应用并重，日本在该领域的实用方面有较大优势。中国申请专利主要是实用新型，原创发明 较少，德国和荷兰将非接触电能传输技术用用与交通和电器领域。国内投入精力持续研究的 单位较少，一般都是实用新型成果，电路拓扑传输效率等深层次的研究偏少，缺乏稳定、高 效的样机。目前，电能变换与补偿，松散耦合变压器结构设计是目前的两个主要研究领域。尚存在 的问题主要包括：1、高频、大功率条件下能量损耗突出；2、负载及电路参数变化与电路频率匹配问题；3、电路智能控制及能量和信号

10、的结合问题；4、松散耦合变压器理论分析以及使用系统设计等。3三种非接触电能传输方式简介3.1电磁感应耦合型概述电磁感应型非接触电能传输的原理主要是一次侧线圈和二次侧线圈相邻数厘米，在一次 侧线圈中施加高频交流电流，以电磁场作为媒介在二次侧线圈感应出电动势。二次侧经过整 流滤波稳压，为移动终端供电，从而实现电能传输。该技术已经逐渐普遍应用于移动终端非 接触充电，效率可以达到70%以上，但是传输距离有限。感应耦合电能传输利用变化的磁场耦合，通过一定的气隙，以非接触方式将电能传输到 负载。相比传统的导线接触式电能传输，非接触电能传输有一些内在的优势。由于非接触电 能传输是电气隔离的，所以它可以工作于

11、潮湿环境中或者其他不方便物理接触的电能传输领 域。另外，相比于传统的接插式接触，非接触电能传输不会产生污染物，并且非常可靠，不 需维修。依据产生磁场的部件不同，感应耦合可以被分为分布式感应耦合和集总式感应耦合4。 分布式感应耦合的一次侧线圈是长轨道形式，为移动的二次侧线圈充电。集总式感应耦合的 耦合线圈包含两个线圈平台，当两个线圈处于一定距离之内时，这两个分离的线圈就可以实 现非接触充电。对于不同的电路拓扑，感应耦合充电的适用功率范围很大，从几瓦到几十千 瓦不等。电磁耦合型发送器能够发送的距离很小，因此在便携式应用中，基本上还必须用电池， 其主要作用是减少充电时的麻烦。最近电磁感应已经被应用与

12、手机登移动终端的充电和电动 汽车的充电。电路拓扑感应耦合型电路拓扑如主要有以下几种形式,不同的电路拓扑适用于不同的应用领域以 及不同的功率等级。单管欢委管撕卜曰舶s E反激电藉单财率等ift1处w或以村掉挽别均存开关频率3 MHz 强 t100kHz-l UHz器官虹乎帆把地茫噌嚣旭功隼.遥黄行车等电动汽车侍仙崩谊既斗种充电罂特点电群简甲， 扇率小1-般其用野频）1式1： 作邱能害 如赖丹的 域球案慎电聘简中-功奉 较小果山甬F较 小功宰的局合我大璃率成可广捷图1是四种常用的电路拓扑形式，包括半桥型、全桥型、推挽式和反激式。(a)(b)(c)(d)图1. (a)半桥逆变(b )全桥逆变(c)电

13、流推挽(d)反激变换电路拓扑电容补偿由于感应耦合使用的松散耦合变压器的耦合系数非常低，为了提高功率传输能力，通常 在松散耦合的变压器两侧以并联或串联的电容作为补偿，构成谐振电路。电容补偿形式包括 单侧补偿和两侧补偿，分为串联补偿和并联补偿两种形式。图2副边均采用并联补偿，原边分别采用串联补偿和并联补偿。图2(a)给出了采用电压 源的原边串联电容补偿电路。这种形式的电路可以以固定频率工作。与并联电容补偿电路相 比，这个结构由于谐振电流将流经开关管，不宜在一次侧产生大电流，因此更适用于原边线 圈较长和小功率应用。而采用并联补偿的形式则更适合于需要较大原边电流的情形。图2(b) 给出采用电压源的原边

14、并联电容补偿电路。一般来说，如果原边采用并联补偿电容形式，多 采用电流源输入。若采用电压源，在谐振单元前端需增加一个电感。图2. (a)原边串联补偿(b)原边并联补偿3.2无线电接收型无线电接收型非接触电能传输的原理主要是利用天线来发射和接收无线电波能量，不同 于以往的放大电路，而使用整流滤波电路将无线电波转化成直流进而应用。无线电接收型距 离较远，但是传输效率和传输功率很不理想。电波接收型的最大发送距离长达10m,但是，能够接收的功率很小，只有几mW1000mW。因此，其主要用途是在便携式终端中提供待 机时消耗的功率。3.3共振型共振型非接触电能传输技术利用电共振或磁共振。其基本原理主要是当

15、振荡电路（接收 器）中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡；当外加电动势的频率与电路自由振 荡的固有频率相同时，振幅达最大值。接收器端经过整流滤波，实现非接触电能传输。在 美国已公开一种利用磁耦合共振器来传输电能的技术的专利。关于谐振型无线传输电能技术 其电能发送距离可以达到3m4m，而且，可以发送高达几kW的大功率。共振型非接触电能传输系统主要包括发射器和接收器，通过电磁共振是传输的能量的最 大化。电磁感应型非接触电能传输技术的原理如图3所示。如图4所示，当元件固有频率与发送端发射频率接近时产生共振，在特定频率耦合强度很大。图4,耦合强度与频率的关系曲线如图5所示，当耦合距离达到一定值

16、的时候耦合强度很大，之后随着距离的增加耦合 强度迅速下降。si图5.耦合强度与距离的关系曲线4非接触电能传输的应用目前，非接触电能传输平台的研究主要涉及消费类电子产品等中小功率领域以及电动汽 车等大功率领域。在已有的报道中，应用于手机等电子产品的非接触充电系统主要以感应耦 合方式为主。近年来，感应耦合已逐步走进电动汽车等大功率应用领域。4.1手机等移动终端充电利用感应耦合电能传输原理设计的非接触充电平台研究成果如图6所示(a)(b)(c)(d)（a） 一站式充电平台同时给多个电子设备充电（来源：香港城市大学）（b） AAK公司试制的手机充电模块（来源:AAK）（c） Palm公司的Palm P

17、re及底座和专用手机后盖等（来源：Palm）（d）高通公司研制的充电平台及充电模块（来源：美国高通）4.2电动汽车上半个世纪以来，人们对替代传统化石能源的环境友好能源的需求不断增长。使用清洁 能源的电动汽车（EV）成为替代传统内燃机车的备选方案之一。新型电动汽车的研发经历 了数十年，然而一个最大的瓶颈就是电能的存储容量和安全、方便地充电问题。现在，电动 汽车主要是利用接插式物理接触充电，然而暴露在外的街头会有潜在的安全问题，并且这并 不方便于人们的使用。所以，非接触充电系统（主要是感应耦合式）可以通过一次侧线圈对 停在其上的带有二次侧接收线圈的电动汽车（EV）充电。充电平台的实际考虑IFTPo

18、gr SupplyCiiita)Ller图7是一个典型的感应耦合充电系统框图，包括电气隔离的两部分，一、供电系统和 一次侧线圈；二、二次测线圈和整流滤波稳压模块。供电系统的电能经过逆变产生超低频信 号（典型值为5-550KHZ），通过一次侧线圈和二次侧线圈的感应耦合，将能量传输到副边。 相对于传统变压器感应耦合型变压器的耦合系数很低，所以它使用的松散耦合变压器需要工 作于较高频率，以及一次侧和二次侧都需要电容补偿。在没有发生畸变的情况下，单个一次 侧可以驱动多个二次侧线圈。$1堡心 orUire&oItiNiL Pick-up inductanceTrack inductance Li图7.典

19、型的IPTT充电系统关于磁场对人体的伤害问题，奥克兰大学的学者进行了仿真测试7。实验结果表明，在实验条件下，离开一次侧充电线圈边缘1140mm就达到了国际非电离辐射防护委员（ICCNIRP）在此频率下的标准6.25以T。仿真测试数据如图8所示。Displacemeuf fivan pad (mm)Flux Deusiiy0517.520131.3406030.2&0n.s10011J1207.5|1401604 1图8.充电平台边缘磁场强大的仿真结果而充电过程中，汽车停在一次侧线圈正上方，所以在汽车边缘，这个标准很容易满足。如图9所示，充电高度的变化会影响线圈之间的耦合和互感系数，这种问题可以

20、通过 多路补偿拓扑来解决7。如图10所示，在不同的线圈距离情况下采用不同的LCL补偿网 络，从而优化电路，实现效率最大化。Charger Pad M utual I nducta net VSHeight Disiplacemeirt40 50 M 70 BO 90 LM ILO 120 UO 140 heieht Ditp-lxamcnt (:mrr图9.充电线圈之间的互感随距离的变化图100.多路径二次侧概念图多线圈负载研究感应耦合电能传输(ICPTT )逐渐成为一种被接受的新技术，实现从一次侧线圈到多二次侧 线圈的电气隔离电能传输。实际上，多线圈负载会引起电路不稳定，多线圈负载的控制方法

21、 也有待研究。奥克兰大学经过理论推导、仿真以及实验验证，在设定实验条件下，负载N6 会引起电路不稳定。实验结果如图11所示：fllXnDftrCT pFikupfl图11.负载线圈数对工作频率的影响充电线圈设计对电动汽车的安全、高效、方便快捷的充电是非常必要的。如果充电平台（一次侧线圈） 过优化设计，感应耦合充电能够满足上述要求。对电动汽车进行充电的平台需要在大气隙和 非完全重合的情况下传输上千瓦的功率。另外充电平台需要质量轻、方便耐用。2009年， 新西兰奥克兰大学设计出一种在200mm间隙的充电平台，实现了 2KW的非接触充电。感 应耦合非接触充电系统和充电线圈如图12、13所示。图12.

22、非接触充电系统框图体1 (LH) iVuviUlUll IIILLLITI由1电!,? 1LLUJPCTTlli图13.充电平台分解图传统的类圆形线圈充电平台的几何外形限制了它的磁通，这导致了在实际应用中非常差 的相互耦合，如图14所示。为了在两线圈位置不完全重合的情况下有较好的表现，传统线 圈需要做的非常大，非常重。奥克兰大学的学者研发了一种新型的平台拓扑解决这个问题， 如图15所示。相比于传统的圆形线圈，这种拓扑极大程度上提高了传输效率。longlh图14. (a)圆形(bb)条形充电平台磁场的二维仿真(a)带有背板的充电平台(b)沿长度方向的磁场强度分布 图15.新型充电平台设计和仿真测

23、试双向电能回馈电路拓扑传统的电动汽车充电系统是单相的，具有可逆整流器就可以实现电源为电动汽车供电， 同时电动汽车也可以回馈电能，实现能量的双向流动。可逆整流器两端的电压和相位角界定 电能流动的方向，如图16所示。商牝hi叩而剧1疝PiiibwiyC in tn图16.单相双向IPT一种新型的应用于大功率非接触电能传输的三相双向IPT网络原副边分别具有三相电路拓扑。它可以通过松散耦合变压器实现电能的双向传输。相对于单相IPT网络，三相网络的 性能更加优越，更加适合于需要快速充电的大功率应用领域。图17是三相IPPT网络的电 路拓扑。图17.三相双向IPT网络5结语从非接触电能传输开始研究以来，新

24、西兰、美国、日本等国家已经在许多领域取得了越 来越多的成果以及实际应用。近十年，国内也开始了这方面的研究，但是我国与发达国家的 技术差距还是比较大。非接触式充电还存在很多技术问题最近，感应耦合式非接触电能传输已经逐渐进入人们的日常生活，包括手机等移动用电 设备的充电以及最近研究较多的新能源电动汽车的充电。非接触充电能够克服传统电能传输 方式的很多缺点，具有很大的市场和研究价值。展望未来，随着技术和材料的不断进步，效 率更高、更加安全可靠的非接触供电将出现在我们的生活中。这将弥补移动终端以及电动汽 车电池续航能力差，充电不方便等缺点，进一步方便我们的生活。参考文献李宏.感应电能传输电力电子及电气

25、自动化的新领域JJ.电气传动，20011，2, 62-644.陈玉芳.一种对植入式心脏起搏器进行体外无线充电的设计J.中国医疗器械信息20100 年第16卷第7期.19-21.张凯，潘孟春，翁飞兵，李政.感应耦合电能传输技术的研究现状与应用分析J.电力电 子技术.2009: 76-78.M. Budhia, G. A. Covic and J. TT.Boys, Design and optimisation of magneticstruuctures forlumped Inductive Power Transfer systems, in Energy ConversionCongress and Exposition, 2009. ECCEE