文無線電能傳輸文獻綜述.docx

本科畢業(yè)設(shè)計論文文獻綜述題目：電能無線傳輸裝置的硬件設(shè)計 作者姓名 指導(dǎo)教師 專業(yè)班級 學 院 信息工程學院 提交日期 2016年3月7日 電能無線傳輸裝置的硬件設(shè)計姓名：專業(yè)班級： 摘要：無線電能傳輸技術(shù)是通過電磁感應(yīng)、電磁共振、電磁輻射等多種形式實現(xiàn)非接觸式的新型電能傳輸，能幫助使我們擺脫傳統(tǒng)的電能傳輸方式的各種缺點。文章闡述了無線電能傳輸技術(shù)的研究背景，介紹了該傳輸方式的各種優(yōu)點，以及在國內(nèi)外的研究發(fā)展歷程。之后敘述了現(xiàn)有理論框架下的三種無線電能傳輸技術(shù)，并比較了四種技術(shù)的特點。文章的最后，闡述了無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景和領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：無線電能傳輸；電磁感應(yīng)；電磁共振；電磁輻射；傳輸效率1 研究背景及意義 人類社會自第二次工業(yè)革命以來，便進入了電氣化時代。大至遍布世界各地的高壓線、電網(wǎng)，小至各種各樣的家用電氣設(shè)備，傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過金屬導(dǎo)線點對點，屬于直接接觸傳輸。這種傳輸方式使用電纜線作為媒介，在電能傳輸?shù)倪^程中將不可避免的產(chǎn)生一些問題。例如尖端放電、線路老化等因素導(dǎo)致的電火花，不僅會使線路損耗增大，還會大大降低供電的可靠性和安全性1，且會縮短設(shè)備的壽命。在油田、鉆采礦井等場合，用傳統(tǒng)的輸電方式容易由于摩擦而產(chǎn)生微小電火花，嚴重時甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，導(dǎo)線直接接觸供電還有電擊的危險2-4。這一系列的問題都在呼喚著一種擺脫金屬電纜的電能傳輸方式，即無線電能傳輸。無線電能傳輸（WPT）是一種有效的新型電能傳輸方法，通過無線電能傳輸，不需要使用電纜或其他實物就能進行電能的傳輸，電能可以通過短距離耦合，中等范圍的諧振感應(yīng)和電磁波感應(yīng)傳輸，在很難使用傳統(tǒng)電纜的地方也可以實現(xiàn)電能傳輸5。實現(xiàn)無線電能傳輸，將使人類在電能方面的應(yīng)用更加寬廣和靈活。電能的無線傳輸技術(shù)將開辟人類能源的另一個新時代,給大眾帶來非同凡響的意義和影響。下面將闡述無線電能傳輸?shù)母鞣N優(yōu)點： 方便性：設(shè)想一下，只需一個充電器墊，就可以同時為智能手機、MP3 播放器等多個數(shù)碼設(shè)備充電,不知會給我們的生活帶來多少便利。有了無線供電技術(shù)，設(shè)備的充電供電將不受插座和線纜束縛,從而更方便。不難想象,在不久的將來,這樣的無線充電設(shè)施就會被普及，遍布各個家庭及公共場所。人們可以利用這些無線供/充電設(shè)備隨時隨地供/充電。就像今天無論在何地都可以自由自在的上網(wǎng)沖浪一樣。 通用性：現(xiàn)在的電子產(chǎn)品充電供電由于存在不同品牌、不同接口充電器不兼容的問題，需要攜帶各種雜亂的電源適配器和數(shù)據(jù)線。無線供電技術(shù)一旦普及,這個問題就能得到很好的解決。消費者不只需攜帶一個小小的充電器墊，甚至酒店、餐館等地已為客人準備好充電器墊，將可一舉解決令人頭疼的充電器不兼容問題. 美觀性：如今，用于工作和娛樂的電子設(shè)備越來越多，其增長速度令人咋舌。但隨處可見的亂糟糟的一團團電纜十分影響美觀性和人的好感。而無線充電技術(shù)的出現(xiàn)將可以顯著改善這個問題。在解決了效率轉(zhuǎn)化、電磁輻射安全的情況下,若所有家電都進入無線供電時代,將能有效的解決家庭布線、家電固定化、景觀破壞、居室墻面等問題,美化人的生活環(huán)境。再者，沒有了電線接口和充電接口,便攜式電子設(shè)備體積將進一步縮小,從而增加設(shè)備的美觀。 應(yīng)急性：在沙漠、海島、北冰洋和偏僻的山村等缺乏或無法連接輸電線的地方，無線供電也能發(fā)揮巨大作用。另外，還可解決傳統(tǒng)供電中的一些特殊問題，例如，美國的研究者曾設(shè)想在高速公路的沿線設(shè)立各種微波發(fā)射臺,為沿途的汽車提供不斷的能源供應(yīng)，加拿大等國也開始嘗試用電磁輻射式無線供電的無人機作為電視轉(zhuǎn)播臺。因此，在將來，無線供電還可成為一種特殊、緊急的供電方法。 安全性：無線供電可避免經(jīng)常性的插拔插頭引起的插頭損壞、接觸不良等安全問題；電子設(shè)備的外殼上可省去金屬接點和電氣開口,可消除接觸可能產(chǎn)生的電火花,從而避免電火花可能引發(fā)的爆炸；同時電子產(chǎn)品的防水性及密封性將進一步增強。著在醫(yī)療儀器方面也將帶來益處，因為電池供電的醫(yī)療設(shè)備的防水性能將得到提高,且更易于消毒.2 無線電能傳輸發(fā)展歷程 19世紀30年代，邁克爾法拉第提出電磁感應(yīng)定律，即穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中會有電流產(chǎn)生。19世紀90年代，被稱為無線電能傳輸之父的尼古拉特斯拉第一次提出無線電能傳輸?shù)臉?gòu)想，并于1899年演示了無導(dǎo)線的高頻電流電動機，但出于效率與安全的考慮，這一技術(shù)就此擱置6。20世紀20年代，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了八本宇田天線，可用于無線電能傳輸?shù)亩ㄏ颉?0世紀60年代，雷聲公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）設(shè)計了一種半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，此天線效率高且結(jié)構(gòu)簡單，由此完成了32.45GHz微電波驅(qū)動直升機的實驗7-8。后來，他又進行了室內(nèi)微波能量傳輸實驗，實現(xiàn)了90%的微波-直流能量轉(zhuǎn)換效率。自Brown的實驗成功以后，無線電能傳輸技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。1968年，Peter Glaster提出通過構(gòu)建太空太陽能為地球無線傳輸能源的設(shè)想。1975年，在美國宇航員的支持下，開始了無線電能傳輸?shù)孛鎸嶒灥?a計劃。近幾年，無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展更為迅猛。2007年，美國麻省理工學院的馬林索爾賈西克（Marin Soljacic）等人在無線電能傳輸方面取得新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點亮了一盞60w的燈泡7-8。2009年，TI和Fulton（eCoupled技術(shù)）公司合作開發(fā)用于控制非接觸式充電的電源芯片。2011年，在東京舉行的安防用品會展上，松下集團推出了一款無線充電的太陽能電池板。2012年，LockheedMartin公司研發(fā)出激光無線充電系統(tǒng)。無線能量傳輸技術(shù)在國內(nèi)的起步較晚。1994年，電子科技大學的林為干院士第一次將微波輸能技術(shù)引入到國內(nèi)。之后，中科院電工所進行了相關(guān)的理論研究。1998年，上海大學利用微波輸能實現(xiàn)了對管道機器人的供能。2001年，西安石油學院的李宏發(fā)表了第一篇關(guān)于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)在感應(yīng)電機機車上應(yīng)用的可行性的文章。同年，重慶大學孫躍教授開始對無線電能傳輸技術(shù)的研究，且重慶大學與新西蘭奧克大學展開了合作，進行更深層次的學術(shù)交流。2003年，重慶大學鄭小林、皮喜田等對無線電能傳輸用于體內(nèi)診療裝置進行了研究。2007年，孫躍教授研制出了感應(yīng)耦合無線輸電裝置，可同時向多個設(shè)備實現(xiàn)600到1000W的電能傳輸，效率高達70%。2009年四川大學使用平面天線和接收整流陣列，實現(xiàn)200m的長距離無線電能輸送實驗9。2013年3月中科院上海微系統(tǒng)所實現(xiàn)了0.6m距離的磁共振耦合能量傳輸，效率達50%。隨著技術(shù)的成熟與進步，越來越多的科研機構(gòu)及高校開始了關(guān)于無線電能傳輸技術(shù)的研究。研究進一步深入，研究領(lǐng)域也逐漸擴大。3 無線電能傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式 根據(jù)傳輸原理的不同，無線電能傳輸方式可分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式以及電磁波輻射式三種。3.1 電磁感應(yīng)式 電磁感應(yīng)式電能傳輸?shù)幕咎卣骶褪窃边呺娐贩蛛x。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場耦合感應(yīng)相聯(lián)系。下圖是電磁感應(yīng)式無線傳能系統(tǒng)的原理框圖： 圖1 電磁感應(yīng)式無線傳能系統(tǒng)的原理框圖 在整流濾波以獲得直流電能之后，工頻交流電源通過高頻逆變器實現(xiàn)逆變。經(jīng)過逆變產(chǎn)生的高頻交變電流，注入一次側(cè)的原邊線圈。原邊線圈中的高頻交流電所產(chǎn)生的磁鏈，與二次側(cè)的副邊線圈交鏈，進而產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。通過高頻整流以及直流斬波等調(diào)節(jié)電路之后，該感應(yīng)電動勢即可向負載提供適當參數(shù)的直流電10。 電磁感應(yīng)式系統(tǒng)主要由以下3 部分組成：能量發(fā)射裝置可分離變壓器能量接收裝置。其中，可分離變壓器是關(guān)鍵。它對實現(xiàn)大氣隙下的能量在原、副邊線圈之間高效傳輸，起了決定性作用。優(yōu)質(zhì)的可分離變壓器，必須具備漏感小，耦合系數(shù)高等特點11。電磁感應(yīng)式系統(tǒng)由以下特點：存在較大氣隙，使得原副邊無電接觸，彌補了傳統(tǒng)接觸式電能的固有缺陷；較大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁相當，甚至比激磁高；傳輸距離較短，實用上多在mm級。3.2 磁耦合諧振式 磁耦合諧振式（又稱WiTricity技術(shù)）是由麻省理工學院物理系、電子工程系、計算機科學系，以及軍事納米技術(shù)研究所的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實現(xiàn)能量的無線傳輸。下圖為磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)主要是由能量發(fā)射端及能量接收端組成。能量發(fā)射端以直流作為功率輸入，經(jīng)過逆變后形成了高頻激勵源，使與之直接相連的源線圈產(chǎn)生諧振，且在源線圈的周圍形成了交變磁場。發(fā)射線圈通過感應(yīng)源線圈的交變磁場與之形成共振。這樣，能量就通過源線圈傳送到發(fā)射線圈，再經(jīng)發(fā)射線圈傳遞出去。能量接收端有兩個線圈，分別是接收線圖3.2 磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)框圖圈和負載線圈。接收線圈在收到發(fā)射線圈傳遞過來的能量后，再傳送給負載線圈。負載線圈之后連接能量變換電路，使高頻交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率，供給后面的用電負載使用12。這種傳輸方式的特點是：利用磁場通過近場傳輸，輻射小，具有方向性；中等距離傳輸，傳輸效率高；能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響；傳輸效果與頻率及天線尺寸關(guān)系密切。3.3 電磁波輻射式電磁輻射方式，即先利用天線將微波發(fā)射到空間，再由接收天線接收的能量傳輸方式。其原理類似于早期使用的礦石收音機。發(fā)射端使用微波功率源將直流電轉(zhuǎn)化為微波能量，空間中的微波能量通過整流天線轉(zhuǎn)換為直流功率，為負載供電。這種技術(shù)的關(guān)鍵，在于發(fā)射源、發(fā)射天線以及接收整流天線。發(fā)射源需微波功率源，如磁控管、速調(diào)管和行波管，通過注入鎖相技術(shù)，以實現(xiàn)頻率鎖定及相位鎖定，從而獲得更高的效率。發(fā)射天線需具備高聚焦和定向的能力，有助于提高效率。整流天線技術(shù)又是提高微波傳輸效率的另一關(guān)注點13。這種傳輸方式的特點是：傳輸距離遠，頻率越高，傳播的能量越大。在大氣中能量傳遞的損耗很小，能量傳輸不受地球引力差的影響；微波是波長介于無線電波和紅外線輻射的電磁波，容易對通信產(chǎn)生干擾；能量束難以集中，能量散射損耗大。3.4 小結(jié)作為無線電能傳輸?shù)娜N主流方式，它們都有各自的優(yōu)勢與不足。一般來說，電磁感應(yīng)技術(shù)比較具有實現(xiàn)性，且已應(yīng)用于當前各種電子產(chǎn)品，它的優(yōu)點是能量的傳輸效率較高，但存在傳輸距離短，發(fā)熱大，線圈對準困難等問題；電磁波傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸，但是現(xiàn)階段效率過低，另一方面?zhèn)鬏斶^程中的介質(zhì)也會對電磁波產(chǎn)生影響；磁耦合諧振無線電能傳輸中和了上述兩種傳輸方式，具有中中等距離傳輸和較高效率的特點，因而受到的關(guān)注較多。但目前階段的傳輸距離和效率離實際應(yīng)用還有一定的差距。4 發(fā)展前景 目前WPT 技術(shù)還處在研究階段，主要用于電動汽車、充電軌道、礦井、水下探測、醫(yī)療器械和便攜式電子產(chǎn)品。其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，照明、太陽能電站以及航空航天系統(tǒng)等都將成為無線電能傳輸?shù)男骂I(lǐng)域14。 在交通運輸領(lǐng)域，WPT可用于電動汽車的充電裝置中，主要采用的是電磁感應(yīng)傳輸2。這樣不僅可以解決各類充電口的建設(shè)問題，還可以使電動汽車分散化充電，從一定程度上緩解電動汽車大規(guī)模集中充放電對于電網(wǎng)的沖擊。新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司已將ICPT 技術(shù)成功應(yīng)用于Rotorua 國家地熱公園的30kW 旅客電動運輸車15。 在醫(yī)療器械領(lǐng)域，無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用主要集中在植入式醫(yī)療設(shè)備的無線供電里。例如神經(jīng)刺激器、心臟起搏器、視網(wǎng)膜肢體等等。這類醫(yī)療設(shè)備的供電功率一般很小，從幾十微瓦到幾十瓦不等，多采用經(jīng)過表皮的直接供電、植入式電池無線充電等方式16。例如，加利福尼亞大學的G. X. Wang 等人研制出人工視網(wǎng)膜供電的裝置17。日本東北大學的小柳光教授，研制出可從外部向眼球植入的人工視網(wǎng)膜的無線供電系統(tǒng)。英國南安普敦大學成功研制出一款能把振動轉(zhuǎn)化為電能的“小型發(fā)電機”，有望在將來能憑借心臟病病人自己的心跳為心臟起搏器供電。 近年來，無線電能傳輸技術(shù)日漸風靡于便攜式通信領(lǐng)域，并且，已有不少高科技公司涉及這一領(lǐng)域。例如，美國的Splash Power 公司及Power Cast 公司。Power Cast 公司開發(fā)的電波接受型儲能裝置是以美國匹茲堡大學研發(fā)的無源型射頻識別技術(shù)為基礎(chǔ)，通過射頻發(fā)射裝置，來傳遞電能。而Splash Power 公司則以電磁感應(yīng)技術(shù)為突破口，研究出手機充電平臺17。香港城市大學的許樹源教授也通過深入探索研究，研制出了基于電磁感應(yīng)的MP3、手機等便攜式電子設(shè)備的充電平臺，并已逐漸開始成果轉(zhuǎn)化。 水下探測，也將是無線電能傳輸系統(tǒng)一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。水下的電能傳輸可應(yīng)用于深海潛水，深海采礦與深海油田。與此同時，水下電能的獲取還可以增強船只的續(xù)航能力。不同的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展必定會推動WPT 系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，從而提高人們的生活質(zhì)量，且為節(jié)約能源以及電能的有效利用開辟出一條新途徑。參考文獻1 K.W.E.Cheng, Lu,Y. Development of a Contactless Power Converter, IEEE International Conference on Industrial Technology, 2002 (2): 786-791.2 J.T.Boys, A.P.Hu, G.A.Covic,“Critical Q analysis of a current-fed resonant converter for ICPT applications,” in Proc. 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