无线电能传输

电动汽车的无线能量传输概念综述所谓无线电能传输(WirelssPowerTransmission wPT)就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。无线输电分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也形成了对环境的污染。而在特殊场合下，譬如矿井和石油开采中，传统输电方式在安全上存在隐患。孤立的岛屿、工作于山头的基站，很困难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下，无线输电便愈发显得重要和迫切，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。在无线输电方面，我国的研究才刚刚起步，较欧美落后。在此旨在阐述当前的技术进展，分析无线输电原理，为我国在无线输电方面的深入研究提供参考。2无线电能传输的原理1变压器的疏松耦合非接触式实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接6J。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。理论和经验都表明：当原边电流频率、幅值越高，原、副边距离越小，与空气相比，磁芯周围介质的相对磁导率越大时，可分离式变压器的传输效率越高。但实际应用当中原副边距离不可能无限小，必须对原副边采取相应的补偿措施，这种无线电能传输效率较低。电磁感应现想是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电磁现想之间的相互联系和转化。电磁感应是电磁学的基础原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的，变压器由一个磁芯和两个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压试，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。对图1所示的变压器基本电路，两个端口的电压降可表示为：V1=jwL1I1-jwMI2V2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2式中L1、L2和M分别为初级电感，次级电感与互感，ZL是负载电阻、初、次级耦合度可用耦合系数K来定义：K耦合系数反映变压器的优值，对于一个近似于理想的变压器，可简单表示为：V1/V2^L1/L2^N1/N2式中N1与N2分别是两个电感的匝数，就是所说的电压比等于匝数比。2.2基于电磁辐射的无线电力传输对无线电能传输来说，能量传递的效率是最重要的。因此，方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束是值得考虑的选择。但激光光束在空间传输易受到空气和尘埃的散射，非线性效应明显，且输出功率小，因此微波输能成为首选。微波输能，就是将微波聚焦后定向发射出去，在接收端通过整流天线(rect-enna)把接收到的微波能量转化为直流电能。⑴布朗的微波输电系统。上世纪60年代，WilliamC.Brown向世人展示的微波传输电能示意图如图2所示。该微波传输系统包括微波源、发射天线、接受天线3部分。微波源内有磁控管，能控制源在2.45GHz频段输出5〜200W的功率；微波源输出的能量通过同轴电缆连接至和波导管之间的适配器上；亚图图1变压器示意图图2Splashpowe「系统示意图2.3非辐射性谐振磁耦合方案2007年，美国麻省理工以MarinSolijacic为首的研究团队完成了一项无线传输电力的实验。实验室里放置着2个铜线圈，一个线圈通电，另一个放在离它2米外的房间中央，连着60瓦的灯泡，线圈间没有任何导线。他们的装置成功地将电力以无线的方式传给灯泡，将它点亮。科学家们兴奋地集合到2个线圈之间的位置，留下了合影(这也证明了不需要为这种传输清出直线通道)。图3Wi加Wy无线供电原理示意图电路A接在电源插座上，它将标准的60赫兹电流转换成10百万赫兹，再送到传输线圈B。线圈B内的振荡电流产生10百万赫兹的磁场。接收线圈C的尺寸与线圈B丝毫不差，两个线圈发生共振。接收线圈C通过磁感应从传输线圈的磁场取得能源。共振磁场的能量，点亮连接在线圈C上的灯泡D（图3）。这项称为Witricity的无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距离范围，他要求被供电或充电的设备非常靠近感应圈，因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减，因此而在传统的磁感应中，距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同，witricity使用匹配的谐振天线。可使磁耦合在几英尺的距离内发生，而不需要增强磁场强度。电磁波无限功率传输虽然有较长的传输距离，但传输的功率只有几微瓦到几毫瓦。该团队在成功地点点亮灯泡后，准备通过设计一个装置来演示以无线电方式对笔记本电脑进行供电。电能通过导线1输送至10mhz谐振天线2,能量尾巴3到达6.5英尺外的接收线圈，接收线圈4以相同频率谐振，接收的电能经耦合匹配，整流后供笔记本电脑使用。来传输电能5驻留在谐振场中，不像辐射电磁波将很多电能浪费在辐射空间中。图4Witricity无线供泓^置示意图这是一种非辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段，一个号角波导产生一个衰减电磁波，倘若接收导波支持相应效率的电磁波模式，即衰减场传播波模式，能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说，衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上，这个过程与量子隧道效应相同，只是电磁波替代了量子力学中的波函数，这个方法也成为共振感应耦合，以区别普通电磁感应耦合，它使用单层线圈，两端放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，减少能量的浪费。谐振耦合虽能增加传输距离，但因增加了一个电容器，高品质因子表明谐振时能量损耗少，另一方面，高品质因子意味着谐振带宽窄，会带来系统设计的困难。除了上述因素，还要考虑：（1） 安全性：人们佩戴的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈，在某些场合若形成谐振贿赂会影响系统工作，也存在一些不安全因素。（2） 串扰：串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的，应予以关注和解决。（3）效率：线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强，垂直时几乎没有耦合，被供电设备的放置会对效率有很大影响。无论哪一种无线供电方案，都存在一些关键问题亟待解决。一是传输效率不高的问题。比如点亮灯泡时，电力在传送中流失了45%，因此输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池。二是安全性问题，无线传输能量产生的电磁波对生物的辐射作用多大还没有认知，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作.也存在一些不安全因素。三是有效传输距离的远近，日前在儿英尺的距离内传输，离实用相差很远。四是传输功率的大小。无线供电技术有着广泛的应用前景。就目前情况而论，该项技术还处于探索阶段，虽然已有一些初级产品，在实用化、普及化之前，还有大量的工作要做，存在的问题也有待解决。人们期待无线供电技术有新的突破，真正实现无限输送能量。方便人们的生活。4.1新型感应耦合能量传输机理新型感应耦合能量传递机理与变压器传递功率有类似之处，即都是通过电磁感应原理将能量由一次侧传递到二次能量接收侧。但与传统变压器不同的是：（1）变压器的原边线圈通常都是多匝线圈，而在新型能量传输模式中，原边仅仅是一根载流体（相当于一匝线圈）；（2）变压器原副边均采用紧密耦合且磁场介质通常采用具有高磁导特性的铁磁性材料，具有很高的传输效率，而新型电能无线传输模式由于安全的需要或机械因素的限制，初次级之间有一定的距离，使系统的能量发射端（原边）与能量接受端（副边）具有较大的间隔，致使磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段，其耦合程度大大降低。因此，新型能量感应耦合传输同传统变压器的能量传输具有根本的区别，对这种新型电能传输模式的机理和能量传输模型进行深入地探索和研究是该技术的核心和关键所在。新型感应耦合能量无线传输系统是通过使用特殊结构变压器的电磁感应实现的，在这种变压器中，初级能量通过气隙或其他介质感应耦合到次级，因此和传统变压器有很大的不同，较大气隙导致变压器具有较大漏感，其储能降低变压器效率并增加器件应力。因此，利用漏感的电路拓扑如谐振或软开关拓扑是解决这一问题的较优选择。4.2能量无线传输的效率在新型能量传输系统中，能量损耗主要包括初级损耗、耦合损耗及次级损耗三大部分。初级损耗主要指电网能量经整流滤波及高频逆变过程的能量损耗，主要是开关管的开关损耗，本课题拟采用软开关技术加以解决；耦合损耗是该系统能耗的主要部分，因为磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段，造成感应效率较低，在本课题采用高频（10〜30kHz）传输磁场和合理的变压器结构提高耦合的效果和程度；能量耦合后还要经过变换后为负载所用，在变换过程中也会存存一部分能量损失，减少次级能量变换过程的开关损耗和输出回路的无功功率补偿也是本项目的主要研究内容之一。4.3能量无线传输容量和距离能量无线传输的容量和距离决定新型能量传输模式的应用范同和程度。传输距离增大，耦合效率降低，为了提高效率，就必须提高电磁能的频率，传输频率的提高会对传输容量有一定的制约。通过采用科学有效的技术措施（如高频逆变后耦合、力争减小功耗、合理的变压器结构等），力图使电能具有较大的传输容量和较远的传输距离。4.4能量传输的安全性和可靠性安全性和可靠性是能量传递的前提。在新型能量传输系统中包含大功率整流滤波、高频逆变，远距离感应耦合、次级整流滤波等环节，不可避免的存在较强的电磁干扰及能量辐射，对电网及周围用电设备甚至人体都可能存在一定程度的负面效应。因此对系统进行电磁兼容性和可靠性设计也是本课题的核心研究内容。无线充电器的设计:介绍了一种由常用电子器件构成.以射频电路、接收控制电路为核心，以电感线圈实现无线传能的无线充电器，简单实用，成本低廉。并通过实验验证了方案的可行性。1无线充电器原理与结构无线充电系统主要采用电磁感应原理.通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接收转换电路变换成直流电为电池充电。无妹充电器系醯框图喧成电交旅电无妹充电器系醯框图喧成电交旅电£S一-!三=--L图1无线充电器系统框图2硬件电路设计2.1电源管理模块如图2所示，交直流两路电源分别接继电器的常开和常闭端给能量发送单元供电。此时若交流电存在，选择交流供电，同时断开直流供电，在交流电停电时，则自动切换直流供电。

S2供电电皿电路2.2发射电路模块如图3,主振电路采用2MHz有源品振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出全线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去，为接收部分提供能量。测得与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为0.5mm，直径为7cm，电感为47uH.载波频率为2MHz。根据并联谐振公式[3]得匹配电