非接触式电能传输

1、非接触电能传输系统综述摘要：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。传统供电技术是用电设备通过电缆、插头等直接从电源获取电能的供电模式，这种技术 也是目前整个电能领域普遍采用的一种方式。随着电力半导体器件和电子技术的发展及控制 技术的进步，已经实现了“高效率用电和高品质用电”的目标，传统供电技术也已经基本完 善。然而在一些特殊场合，这种供电方式同样暴露了很多问题，如在矿场、油田等易燃易爆 区，由于电火花的产生及裸露导体的存在会使其存在很大的安全隐患。另外，水下、移动备、便携设备、生物医疗等，传统供电方式已经越来越不能满足这些领域的用电要求。另一方面，电力电子技术所涉及的两个方面:电能传输和信号传递，两者往往相辅相成，

7、共存于同一系统之中，在相当长的时间内，两者的发展趋于同步，如今，信号的传递已经可 以通过空气等一些特殊媒介传递相当长的距离，极大的方便了人们的生活；而电能的传输仍 然通过导线直接相连进行传输，其发展已远远滞后于信号传递的发展1。虽然电磁感应原 理早在1840年提出，但对其认识仅局限在常规变压器和感应电机之中，以空气为媒介进行 长距离的电能传输很少有人进行尝试。两方面的因素迫切要求开发一种新的电能传输技术， 使其能安全、可靠、方便的应用于各种特殊场合，基于电磁感应原理实现的非接触式电能传 输系统的出现使之成为可能。非接触式电能传输技术(Inductively Coupled Power Tran

8、sfer简 称ICPT)已经成为国际学术界关注的一项新的能量传输技术，目前，已有许多国外科研院所 和公司从事非接触能量传输系统的研究，并已开发出相关技术。非接触式电能传输技术是基于电磁感应原理的一项新的能量传输技术，即用电设备以非 接触方式从固定电网取电的技术，所以又可称为非接触感应供电。这一技术能够有效地克服 有线供电方式存在的设备移动灵活性差、环境不美观、容易产生接触火花等问题，特别适用 于易燃易爆环境和水下设备的安全供电，可广泛应用于工矿企业吊装设备和运输设备、高层 建筑升降式电梯、城市电气化交通、室内电子设备、生物医疗等领域中电气或电子设备的灵 活供电。2非接触电能传输的技术背景和研究

9、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 Coupled Power Transfer)技术进行了系统的研究,经过十 多年

10、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。MIT研究小组试制了无线电力传输装置“磁场耦合共振器(magnetical

11、ly 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。与传统供电方式相比，非接触式电能传输技术有很大的优点2： (1)由于用电设备和供 电设备之间无电气连接，避免了的导线插头之间的插拔，可以消除电火花的产生，

12、电气的可 靠性和安全性得到了极大的提高；供电系统和能量拾取机构的完全可分离，使二者可以 处于相对静止或运动状态，不受连接线的限制，拓展了用电设备的使用空间；（3）可以同时 给多个负载供电；（4）由于供电系统和负载之间没有机械磨损和摩擦，可以大大减少系统的 损耗，使设备易维护易管理；（5）一些特殊场所的供电如起搏装置、水下供电等，传统供电 方式难以实现。但是，由于非接触电能传输技术的研究与应用仍然不成熟，目前只有少数几 个国家在某些领域中有所应用。传输效率低也是限制其应用的一个方面，为了提高效率的某 些设计，又使得其体积和成本增加。存在的电磁干扰问题也是在实际应用中需要注意和改进 的地方。另外，

13、影响其功率传输的一个关键因素一开关频率，随着开关频率的提高，所产 生的辐射是否会对生物体造成伤害仍等待研究。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

14、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。2.3非接触式电能传输技术的研究现状与发展前景非接触式电能传输技术作为一种新兴的电力电子技术，应用了谐振变换技术、软开关切换 技术，借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电源设备向移动设备的非接触传递。目 前，该技术已受到了广泛关注，国外的许多科研机构已开始此项技术的研究，据此研制的设 备也已在多个领域投入使用，对该技术进行研究和产品化的功率级别

15、也已经从几个千瓦发展 到几百个千瓦。国内也已有个别科研机构进行了一些初步探索，并取得了一定的科研成果。非接触式电能传输的概念在上世纪80年代提出3，比较有代表性的研究机构是新西 兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，该中心从20世纪90年代开始主要 从事滑动式非接触式电能传输系统的研究4-9。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上 已获得重大突破。主要研究集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下的供电问题，如电动汽 车、起重机、运货车，以及水下、井下等设备。目前实用的设备已达到200kW，数公里的导轨距离和85%以上的传输效率，并己 在日本、德国、美国等地得到成功推广。目前该技术典型的应

16、用与商业化产品包括：日本“无线输电器”告别电缆插座时代。这种新型的无线输电器实际上是由4层塑胶薄 片构成的感应器，当输电器感应到附近家电设备中的接收器时，就可以在特定区域提供无线 电能，形成磁场，通过接收器线圈把电力送给用电设备，而不需要线缆和插头、插座。这种 设备小巧灵活，预计将很快能达到100W左右的传输功率。（2）新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心所属奇思公司基于这些技术成 功地开发了两项有关非接触电能传输的实用项目：一是高速公路发光分道猫眼系统8，目 前运行于新西兰惠灵顿大隧道中；另一个使用于新西兰Rotorua国家地热公园的40kW非接 触充电电动机车9。日本大阪富库

17、公司的单轨行车和无电瓶自动运货车。这些设备当前已成功的用于许多材 料运输系统中，特别是在一些恶劣的环境下，如喷漆车间等10。德国奥姆富尔公司的载人电动列车已试车成功10，在奥姆富尔总部的测试轨是目前为止 建造的最大的非接触式电能传输系统，总容量达150kW，轨道长度近400m，气隙为120mm。 该系统允许接收绕组向各个方向移动的位置公差为50mm。该公司还成功地将这种新型非接 触电能传输技术用于电动游船的水下驱动。美国通用汽车公司推出的EV1型电车非接触感应充电系统11 备受世人瞩目。由美国通 用汽车公司的一个分公司Delco Electronics公司研制的Magne-charge是最先商

18、业化的电车 感应耦合充电器之一，现正由Delco公司生产和出售，专门用于通用汽车的EV1型电动车 充电。EVl型电车的一个电池组包括26个铅酸电池，可储存约16kWh的能量。要进行充 电，只需将充电板插入车辆的充电端口即可。感应耦合进行能量传递的频率可以在80kHz到 350kHz范围内变动。充电可以反复进行，过程简单、安全、高效。归纳起来，根据非接触式电能传输系统能量发射部分结构的不同可以分为电缆式和线圈 式。电缆式可视为原边线圈为一匝的特殊供电系统，电源供给部分与能量拾取机构相对距离 近，移动距离大，适用于大功率场所，如电气化铁道的电力机车、地铁机车、城市有轨电车 或无轨电车的供电。线圈式

19、非接触供电系统主要特点是能量发射部分和接收部分分别绕在可 分离变压器的两侧，发射部分和接收部分均由多匝线圈绕制而成。设备体积小、重量轻、携 带方便，通常用于中小功率供电设备，如移动设备的充电装置，使用时只需将待充电部分放 到发射部分上即可感应充电。虽然非接触供电在近些年取得了许多成绩，但传输距离仍然受到了很大限制。2007年， 来自美国MIT的一支科研团队将非接触供电又往前推进了一步，实现了 2m内的电能传输， 传输功率达到了 60W，如图1-2,即使中间有木板遮挡，也不影响能量的传输。有关新型非接触电能传输系统项目的开发研究仍然在不断进行中，它涉及的领域也日渐 广泛。除了有上述的交通、材料运

20、输等领域外，还有生物医学12-13、钻井、工矿、水下作 业等领域。如飞机座位上的非接触供电系统，这个系统用于给每个座位上的娱乐设施提供能 量，每个单元大约消耗50W能量。密封的功率传输轨道嵌入乘客机舱的地板，座位上采用 感应耦合功率接受绕组，与功率传输轨道相对应，系统采用电流反馈耦合技术。该电能传输 装置易拆装，使座位在飞机上可以灵活的移动，同时利用感应耦合技术提高了系统的安全性、 可靠性和舒适度。生物医学领域正利用这一技术进行人工心脏和恶性肿瘤疗法等13 的研究。 这些系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体内进行 能量传递，开辟了新型的损伤性较小的医疗天地。由

21、于耦合装置的放置以及病人皮肤的厚度 不同，系统的电力电子驱动设备必须能经受耦合参数的变化。可以看出，非接触电能传输系 统的研究已经逐步深入，并展示出了巨大的发展前景。其前景主要体现在以下几个方面： 交通运输领域随着人们环境意识的提高和对石油燃料资源耗尽危险的警觉，未来的交通运输系统将逐渐向 着绿色、环保和电气化的方向发展，未来的交通系统供电将为ICPT系统提供广阔的市场。目前，电动车是唯一可以满足零排放的车辆，而且它既可以利用电池储能，也可以给电 池充电。电动车的电池充电问题将是未来的电动汽车生产商面临的最主要的问题。采用ICPT 系统为电动车供电，可以克服传统的充电方法带来的电击、易受环境影

22、响等不足，实现了电 能的绿色、安全、高效的传输。此外，未来的高速磁悬浮列车供电也是考虑中的应用之一。磁悬浮列车是综合了高新技 术的产物，脱离了传统的轮轨运行方式，实现了时速400km/h-500km/h高速运行，是一种 新型的陆上高速运输工具，代表着21世纪高速铁路技术发展的趋势。目前发展成熟的磁悬 浮列车分别是德国的常导电磁式悬浮列车和日本的起导电动式悬浮列车。在列车时速比较高 的时候，都可以实现大功率的无接触能量传输。但前提是列车必须高速运行，在低速运行时， 仍然需要其他的辅助设备来供电，这是其发展的一大不足。现正处于研究阶段的瑞士 Swissmetro磁悬浮系统，就采用这一技术进行能量传

23、递，从而实现了电能在全速范围内的 传输。今后的有轨电车、地铁都是ICPT系统的潜在的应用领域。生产领域现在的生产行业正逐步向机器化、智能化方向发展。采用ICPT传输系统为机器人供电可以 保证能量和信号的安全、可靠的传输。此外，采用该系统可以解决目前在采矿、油田、水下 探测等环境较恶劣的行业中存在的电工设备供电问题。现在许多海底石油、天然气生产设备 都采用感应能量传输器进行充电。家用领域在家用电器领域非接触式电能传输主要应用于小型设备的充电方面如MP3，手机，笔记本 电脑等。采用非接触供电可以有效解决更换电池、防水、连接线插拔等问题，另外供电系统 可以做到完全密封，没有暴露的电源端口，在安全用电

24、方面具有很大的优势。如果传输距离 得到有效解决，整个家庭照明都可以采用此项系统。其他领域例如在生物医学，以及人们的日常生活领域中的应用，如便携式的家用电器，手机等的充 电器。该系统的研究必将导致大量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点，使电能的应 用更为广阔。它打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等特殊行业中的某些场合下的电工设 备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁悬浮列车馈电以及在生物医学、家用电器等方 面的应用。因此，该系统的研究不仅有重要的科学意义，而且有很大的使用价值和广阔的应 用前景，具有巨大的经济和社会效益。利用ICPT系统，通过电磁感应进行能量传输预示了电能传输系统可能出现的

25、第二次革命。 它的应用潜力将是巨大的。2.4需要解决的问题虽然非接触式电能传输技术己经在某些领域得到实际的应用，但在以下几个方面仍然需 要改进：传输功率大小。电缆式非接触供电系统最大传输功率已经达到300kW，但是与传统的供 电方式相比还有很大的差距，很多大功率用电设备还不能应用该技术。线圈式非接触供电系 统传输功率目前仅能做到100W左右，远远不能满足工业需求。电缆长度与线圈距离。由电缆构成的导轨可以与接收部分靠得很近，但受传输功率的限 制，电缆式非接触供电系统的导轨长度在几公里范围之内，不能应用在长距离的运输系统中。 线圈式的优点是可以将距离做大，但此距离仅仅是相对于电缆式而言，目前的最大

26、距离在 2m以内。系统稳定性。系统稳定性在实际应用中至关重要。如果设计不当，某些受频率控制的ICPT 系统容易进入不稳定状态。电磁兼容性。ICPT系统存在电磁干扰和电磁辐射问题，尤其对电缆式系统，由于导轨的 长度较大，不容易对其进行整体屏蔽，因此要提高导轨电流的质量，减小谐波是减少电磁辐 射的根本方法。系统成本。由于非接触系统损耗比传统供电模式大，因此在电力电子器件的选择上必须 尽量降低其功耗；另外，由于采用特殊电路，电力电子器件承受的电压电流也比普通电路高 很多，通常这样的器件价格昂贵，因此如何提高ICPT系统的性价比，也是需要解决的问题。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

27、及原理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

28、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手机登移动终端的充电和电动 汽车的充电。非接触式感应电能传输系统非接触式感应电能传输系统的典型结构如图1

29、所示。系统由原边电路和副边电路两大 部分组成。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合相联系。原边电路把电能转 换为磁场发射，经过这段气隙后副边电路通过接受装置，匝链磁力线，接受磁场能量，并通 过相应的能量调节装置，变换为应用场合负载可以直接使用的电能形式，从而实现了非接触 式电能传输（文中负载用电阻表示以简化分析）。磁耦合装置可以采用多种形式。基本形式 如图2（a）原边绕组和副边绕组分别绕在分离的铁芯上；图2（b）原边采用空芯绕组，副边绕 组绕在铁芯上；图2（c）原边采用长电缆，副边绕组绕在铁芯上。（a）原边绕组 （b）原边采用（c）原边采用长电缆绕在铁芯上空芯绕组图2 几种基本的磁耦

30、佥装置在该非接触式感应电能传输系统中，原副边电路之间较大气隙的存在，一方面使得原副 边无电接触，弥补了传统接触式电能传输的固有缺陷。另一方面较大气隙的存在使得系统构 成的磁耦合关系属于松耦合（由此，这种新颖电能传输技术通常也称为松耦合感应电能传输 技术，记为LCIPT），漏磁与激磁相当，甚至比激磁高，限制了电能传输的大小和传输效 率。为此，通常需要在原副边采用补偿网络来提升电能传输的大小和传输的效率，同时减小 电源变换器的电压电流应力。而且在该系统的分析中，因磁耦合装置为松耦合，因此，通常 用于磁性元件分析的变压器模型不再适用，必须采用耦合电感模型分析该系统中的电磁关系， 同时考虑漏感和磁化电

31、感对系统工作的影响。图3 采用耦合电感模型的系统等效电路图图3给出磁耦合装置采用耦合电感模型的系统等效电路图。原副边磁耦合装置的互感记 为M。设原边用于磁场发射的高频载流线圈通过角频率为3，电流有效值为Ip的交流电。根 据耦合关系，副边电路接受线圈中将会感应出电压Voc=jwMIp （1）相应的，诺顿等效电路短路电流为小件（2）若副边线圈的品质因数为Qs，则在以上参数下，副边线圈能够获得的最大功率为 -沧（3） r5 -l从式（3）可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大3, Ip，M和Qs或减小Ls。但 受应用场合机械安装和成本限制，LCIPT系统中，M值一般较小，而且一旦磁耦合装置设 计完

32、成后，M和Ls的值就基本固定了。能够作调整的是乘积量（wIp2Qs）。从工程设计角度 考虑，在参数选择设计中，Qs 一般不会超过10，否则系统工作状态将对负载变化、元件参 数变化和频率变化非常敏感，系统很难稳定。由此对传输电能大小调节余度最大的是乘积 3lp2。从该关系式可见频率与发射电流的关系：提高频率3,可以减小原边电流Ip，反之 亦然。在传输相等电能及其它相关量不变情况下，采用高频的LCIPT系统与采用低频的 LCIPT系统相比，所需的发射电流大大降低，电源变换器电流应力及系统成本大大降低。 因而LCIPT比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术水平和磁场发射相关标准， 系统频率受到

33、限制。根据应用场合的不同，系统采用的频率范围一般在10kHz100kHz之 间。系统补偿1副边补偿在松耦合感应电能传输系统中，若副边接受线圈直接与负载相连，系统输出电压和电流都会随负载变化而变化，限制了功率传输。P (4)为此，必须对副边进行有效的补偿设计。如图4所示，基本的补偿拓扑有电容串联补 偿和电容并联补偿两种形式。(a)未加补傍(b)电容串联补借(c )电容并联补信图4副边补偿拓扑在电容串联补偿电路中，副边网络的阻抗为Zs - 7? + j（x）L. +输出功率为P 二 L ( (6)当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感抗与容 抗互消，为纯电阻，输出电

34、压与负载无关，等效于输出电压为副边开路电压的恒压源，理论 上电能传输不受限制。电容并联补偿电路副边网络的导纳为K 二牛 + - + j (v Cs (7)A J MU输出功率为+ (co a - r式中：Isc为副边短路电流。当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感纳与容 纳互消，为纯电导，输出电流与负载无关，等于副边短路电流，理论上电能传输不受限制。为使副边谐振频率为系统频率，补偿电容的取值应满足式（5）和式（7）中的虚部为零。在松耦合感应电能传输系统中，副边电路对原边电路的工作的影响，可以用副边电路 反映至原边电路的反映阻抗Zr来表示。7 a)M2 /、 匕=

35、一 (9)式中：Zs对应副边网络阻抗，见式（5）和式（7），反映阻抗结果列于表1中（30为系统频率）。表1原副边采取不同补偿拓扑时的补偿电容及反映阻抗值副边补偿拓扑副边补偿电容Cs值副边电路反映至原边的阻抗电阻电抗电容串联补偿1/(302Ls)(302M2)/R0电容并联补偿1/(302Ls)(M2R)/Ls2一(302M2)/Ls2原边补偿LCIPT系统中，原边载流线圈中流过有效值较高的高频电流，可直接采用PWM工作方式的变换器获得这一高频电流，变换器的电压电流定额较高，系统成本高。为此，必须采 取必要的补偿措施，来有效降低变换器电压电流定额。与副边补偿相似，根据电容接入电路 的连接方式，也

36、可采用串联补偿和并联补偿两种基本补偿电路。在电容串联补偿电路中，电源的负载阻抗为Zi - j CijLv + 丁二，二 + Z. (10)电容电压补偿了原边绕组上的电压，从而降低了电源的电压定额。 在电容并联补偿电路中，电源的负载导纳为. 1W +(II)电容电流补偿了原边绕组中的电流，从而降低了电源的电流定额值。设计时保证式（10） 和式（11）的虚部在系统谐振频率处为零，可以有效降低电源的电压电流定额，使得电压电 流同相位，输入具有高功率因数。其结果列于表2中。-, VI 一表2原边补偿电容值副边补偿拓扑原边补 偿拓扑原边补偿电容值电容串电容串1联补偿联补偿电容串 联补偿电容并联补偿I2T

37、 现妒 电容并电容并1 /-WoLp -联补偿.1联补偿质Rf MV I1 3心氐）电容并电容串（伽p）联补偿联补偿（普）+ （ 4）3原边采取何种补偿电路，对应用场合的依赖性很大。当原边采用较长电缆时，电缆端电 压会很高，适合采用串联补偿，降低电源电压应力；当原边采用集中绕组时，为了磁场发射 需要，一般要求较高电流，适合采用并联补偿，降低电源电流应力7。系统稳定性和控制LCIPT系统中，原副边都采用电容补偿时， 系统是- -个四阶系统，在某些情况下，会 出现分歧现象8。特别是在原边电路的品质因数Qp比副边电路的品质因数Qs小，或两者 相当时，系统很可能不稳定，此时必须对系统进行透彻的稳定性分

38、析。同时，在LCIPT系 统中，控制方案的合理选择对系统稳定和电能传输能力非常关键。目前，常采用两种基本控 制方案：恒频控制和变频控制9。恒频控制有利于电路元件的选择，但恒频控制对应的问题是，电路实际工作中电容不 可避免地会因为损耗产生温升，导致电容量下降，副边实际工作谐振频率会升高，原副边电 路不同谐，使得电能传输受损10。变频控制可以通过实时控制原边谐振频率，使其跟踪副 边谐振电路频率，使得原副边电路同谐，获得最大电能传输。但在变频控制中，电源输入电压和输入电流相角与频率之间的关系很可能出现分歧现象，引起系统不稳定。为此，必须对 原副边的品质因数加以严格限制。系统设计对于紧耦合感应电能传输

39、系统，原副边的电能关系可以近似用原副边匝比变换关系来 表示，因而其系统设计可以分为三个独立部分：原边电路、紧耦合磁件、副边电路，分别进 行设计。紧耦合磁件的设计也有较成熟的设计步骤可依。但在松耦合感应电能传输系统中，原副边电路的工作依赖性很大，如式（3）所示，原副 边的电能传输关系由多个变量决定，这些变量必须根据现有功率电子水平，及相关设计经验 初选一些值，然后根据相关公式进行下一步计算，确定参数。在整个设计过程中，所出现的 多个变量都必须进行选择，而这些变量并非孤立的，而是相互之间都存在着一定的制约关系。 因而，松耦合感应电能传输系统的设计比紧耦合感应电能传输系统要复杂得多。这里把松耦 合感

40、应电能传输系统中出现的每个变量的含义，及选取方法做一说明，并绘成相应的流程图， 如图5所示，以便理解。设计步骤如下。1选择频率选择系统工作频率是LCIPT系统设计的第一步，从式（3 ）可以看出，频率大小的选取， 与电源的复杂程度、成本及系统电能传输大小有密切关系。要综合考虑应用场合对系统体积 重量要求、目前功率电子水平及相关系统的设计经验来选取频率。就目前功率电子水平及系 统成本考虑，选择10kHz100kHz之间的频率比较合理。随着功率电子水平的不断进步， 系统频率可望进一步提高，从而使得系统体积更小、重量更轻。2选择松耦合感应装置紧耦合感应装置（如广泛采用的变压器）的结构一般受限于现有的铁

41、芯结构，因而结 构形式有限。但松耦合感应装置却不受铁芯结构限制，根据各种应用场合的需要，可能会出 现多种结构形式。在很大程度上，这些松耦合感应装置要依靠相关的设计经验来选择。确定 松耦合感应装置结构后，要标定一些基本的参数，如原副边线圈电感量、耦合系数、互感等。3选择原边电流Ip在LCIPT系统中，传输电能大小、原边电源变换器的成本都与用于磁场发射的原边电 流Ip直接相关。一般从相对较小的电流值开始选取Ip，从而对应电源的低电流应力。若经 计算后，这一 Ip电流值不满足系统电能传输要求，可进一步增大电流值，再进行计算验证， 直至系统设计满足要求。4确定(VocIsc)值根据所选择的电磁装置，在

42、原边电流为所选Ip时，测试出副边接受线圈的开路电压Voc 和短路电流Isc。确定这一乘积(VocIsc)也可以用一个与设计的接受线圈同匝数的小尺寸接 受线圈来完成，避免因为接受线圈电流定额不够而返工。当然，也可采用相应的电磁场仿真 软件包进行模拟设计。但仿真设计过程比较复杂11。5确定副边补偿5.1副边补偿等级副边电路不加补偿时，负载能够获得的最大功率传输等于(VocIsc/2)11。如果负载所 需功率值超过这一值，则副边需要采用补偿电路，副边电路的品质因数可用式(12)计算。pQs 二豆了 (12) r O&f sc式中：P为至负载的传输功率。从而副边所需要的VA定额为如果副边实际的VA定额

43、高于式(13)的计算值，系统就可以传输所需的功率。反之，该 设计不能传输所需功率P，必须对设计作出相应的调整来增加功率传输能力。一般可以考虑 以下4种途径：加粗接受线圈绕组线径或增大铁芯截面积；增大原边电流；改进电磁装置的耦合程度，提高互感值M；适当提高系统频率。第1种方案增加了副边的成本；第2种方案增加了原边的成本；第3种方案增加了松 耦合感应装置的成本；第4种方案受现有功率电子技术的限制。实际设计中，应综合考虑 性能和成本选择性价比最好的方案作为最优设计。5.2副边补偿拓扑当副边VA定额满足设计要求后，下一步就应当确定副边补偿具体采用的拓扑形式。补 偿拓扑的选择依赖于具体的应用场合。并联补

44、偿对应电流源特性，适合于电池充电器等场合； 串联补偿对应于电压源特性，适用于电机驱动供电等场合。6确定原边补偿副边补偿设计完成后，设计原边补偿。根据已知的原边电流和松耦合感应装置原边绕 组电感量，可以确定原边绕组端电压。从而计算出原边VA定额，用实际传输功率除以这一 VA定额，可以得到原边品质因数Qp的大小。如前所述，原边补偿电路形式也取决定于应 用场合。当原边采用较长电缆时，适合采用串联补偿；当原边采用集中绕组时，适合采用并 联补偿。7系统稳定性和控制性核查最后一步要对系统稳定性和控制性进行核查，这是系统能否在实际应用场合被采用的最 关键的一步。如上所述，若QpQs必须对系统进行透彻的稳定性

45、分析。若系统不能保证在 所有工作情况下控制稳定，就必须对系统参数进行调整。常用的方法包括增大原边电流、改 进松耦合感应装置的结构或改变系统频率等。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。中.管委管C1由斜E推梅全麻式功功等魏油 g-inWIM 100WifikW成以上习神统别均甘升共频率1MHz 以 r.iQQkHr-6Mt：z也用场吾器官科梏.手机犯电器官移桩充电辱电幼卑.运 黄行车等电动岳移物器官或各神充地器特点电路御轧功率4、般采用射频方式1:魅额外的射鞭线圈山路简单.功率 较小小坳率的扇台较大耳率成用广逻(a)(b)(c)

46、(d)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。图1. (a)半桥逆变(b )全桥逆变(c)电流推挽(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

47、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。(a)(b)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

48、。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

49、，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。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

50、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 Pre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

51、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Pick-upConin4ler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。区讯哄巾A

52、 or three 6 会引起电路不稳定。实验结果如图11所示：MTM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.非接触充电系统框图图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

53、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。14. (a)圆形(bb)条形充电平台磁场的二维仿真PosItiDn along paid (nml(b)沿长度方向的磁场强度分布(a)带有背板的充电平台图15.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

54、电能流动的方向，如图16所示。CnikliwlLir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

55、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。为了提高用电系统的安全性、可靠性、灵活性，以及扩展电能传输技术的应用范围和适 用于一些特殊领域，非接触式电能传输技术(ICPT )应运而生。该技术以电磁感应原理为理论 基础，以松耦合变压器设计和电路拓扑设计为核心，以电磁耦合技术和电力电子技术为辅

56、助， 可以实现供电电源与移动负载之间在没有任何直接电气连接和物理接触，甚至存在相对运动 的情况下进行能量传输。该技术研究起步较晚，目前虽取得部分成果，但仍有许多技术困难 等待解决。本文围绕线圈式非接触电能传输系统的设计与实现，主要做了以下五个方面的工作：对非接触式电能传输技术的研究现状作了深入的调研，通过查阅大量的资料对非接触式电 能传输技术的产生背景、发展历史、研究现状和应用前景有了深刻的了解并对其进行了详细 的阐述；阐述了非接触式电能传输系统的构成及工作原理，建立了接收电路的等效一端口电路，进 而分析了松耦合变压器的等效电路，根据松耦合变压器的特点建立了整个系统的互感模型；利用谐振变换技术对整个系统进行优化，通过对非