文无线电能传输文献综述

本科毕业设计论文

文献综述

题目：电能无线传输装置的硬件设计

作者

指导教师

专业班级

学院信息工程学院

提交日期2016年3月7日

电能无线传输装置的硬件设计

：专业班级：

摘要：无线电能传输技术是通过电磁感应、电磁共振、电磁辐射等多种形式实现非接触式的新型电能传输，能帮助使我们摆脱传统的电能传输方式的各种缺点。文章阐述了无线电能传输技术的研究背景，介绍了该传输方式的各种优点，以及在国外的研究发展历程。之后叙述了现有理论框架下的三种无线电能传输技术，并比较了四种技术的特点。文章的最后，阐述了无线电能传输技术的应用前景和领域。

关键词：无线电能传输；电磁感应；电磁共振；电磁辐射；传输效率

1 研究背景及意义

人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性[1]，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险[2-4]。这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输[5]。

实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响。

下面将阐述无线电能传输的各种优点：

方便性：设想一下，只需一个充电器垫，就可以同时为智能手机、MP3 播放器等多个数码设备充电,不知会给我们的生活带来多少便利。有了无线供电技术，设备的充电供电将不受插座和线缆束缚,从而更方便。不难想象,在不久的将来,这样的无线充电设施就会被普及，遍布各个家庭及公共场所。人们可以利用这些无线供/充电设备随时随地供/充电。就像今天无论在何地都可以自由自在的上网冲浪一样。

通用性：现在的电子产品充电供电由于存在不同品牌、不同接口充电器不兼容的问题，需要携带各种杂乱的电源适配器和数据线。无线供电技术一旦普及,这个问题就能得到很好的解决。消费者不只需携带一个小小的充电器垫，甚至酒店、餐馆等地已为客人准备好充电器垫，将可一举解决令人头疼的充电器不兼容问题.

美观性：如今，用于工作和娱乐的电子设备越来越多，其增长速度令人咋舌。但随处可见的乱糟糟的一团团电缆十分影响美观性和人的好感。而无线充电技术的出现将可以显著改善这个问题。在解决了效率转化、电磁辐射安全的情况下,若所有家电都进入无线供电时代,将能有效的解决家庭布线、家电固定化、景观破坏、居室墙面等问题,美化人的生活环境。再者，没有了电线接口和充电接口,便携式电子设备体积将进一步缩小,从而增加设备的美观。

应急性：在沙漠、海岛、北冰洋和偏僻的山村等缺乏或无法连接输电线的地方，无线供电也能发挥巨大作用。另外，还可解决传统供电中的一些特殊问题，例如，美国的研究者曾设想在高速公路的沿线设立各种微波发射台,为沿途的汽车提供不断的能源供应，加拿大等国也开始尝试用电磁辐射式无线供电的无人机作为电视转播台。因此，在将来，无线供电还可成为一种特殊、紧急的供电方法。

安全性：无线供电可避免经常性的插拔插头引起的插头损坏、接触不良等安全问题；电子设备的外壳上可省去金属接点和电气开口,可消除接触可能产生的电火花,从而避免电火花可能引发的爆炸；同时电子产品的防水性及密封性将进一步增强。着在医疗仪器方面也将带来益处，因为电池供电的医疗设备的防水性能将得到提高,且更易于消毒.

2 无线电能传输发展历程

19世纪30年代，迈克尔·法拉第提出电磁感应定律，即穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中会有电流产生。19世纪90年代，被称为无线电能传输之父的尼古拉·特斯拉第一次提出无线电能传输的构想，并于1899年演示了无导线的高频电流电动机，但出于效率与安全的考虑，这一技术就此搁置[6]。20世纪20年代，日本的H.Yagi和S.Uda发明了八本·宇田天线，可用于无线电能传输的定向。20世纪60年代，雷声公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）设计了一种半波电偶极子半导体二极管整流天线，此天线效率高且结构简单，由此完成了32.45GHz微电波驱动直升机的实验[7-8]。后来，他又进行了室微波能量传输实验，实现了90%的微波-直流能量转换效率。

自Brown的实验成功以后，无线电能传输技术引起了广泛的关注。1968年，Peter Glaster提出通过构建太空太阳能为地球无线传输能源的设想。1975年，在美国宇航员的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5a计划。近几年，无线电能传输技术的发展更为迅猛。2007年，美国麻省理工学院的马林·索尔贾西克（Marin Soljacic）等人在无线电能传输方面取得新进展，他们用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60w的灯泡[7-8]。2009年，TI和Fulton（eCoupled技术）公司合作开发用于控制非接触式充电的电源芯片。2011年，在东京举行的安防用品会展上，松下集团推出了一款无线充电的太阳能电池板。2012年，Lockheed Martin公司研发出激光无线充电系统。

无线能量传输技术在国的起步较晚。1994年，电子科技大学的林为干院士第一次将微波输能技术引入到国。之后，中科院电工所进行了相关的理论研究。1998年，大学利用微波输能实现了对管道机器人的供能。2001年，石油学院的宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在感应电机机车上应用的可行性的文章。同年，大学跃教授开始对无线电能传输技术的研究，且大学与新西兰奥克大学展开了合作，进行更深层次的学术交流。2003年，大学小林、皮喜田等对无线电能传输用于体诊疗装置进行了研究。2007年，跃教授研制出了感应耦合无线输电装置，可同时向多个设备实现600到1000W的电能传输，效率高达70%。2009年大学使用平面天线和接收整流阵列，实现200m的长距离无线电能输送实验[9]。2013年3月中科院微系统所实现了0.6m距离的磁共振耦合能量传输，效率达50%。随着技术的成熟与进步，越来越多的科研机构及高校开始了关于无线电能

传输技术的研究。研究进一步深入，研究领域也逐渐扩大。

3 无线电能传输的实现方式

根据传输原理的不同，无线电能传输方式可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。

3.1 电磁感应式

电磁感应式电能传输的基本特征就是原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。下图是电磁感应式无线传能系统的原理框图：

图1 电磁感应式无线传能系统的原理框图

在整流滤波以获得直流电能之后，工频交流电源通过高频逆变器实现逆变。经过逆变产生的高频交变电流，注入一次侧的原边线圈。原边线圈中的高频交流电所产生的磁链Φ，与二次侧的副边线圈交链，进而产生了感应电动势。通过高频整流以及直流斩波等调节电路之后，该感应电动势即可向负载提供适当参数的直流电[10]。

电磁感应式系统主要由以下3 部分组成：①能量发射装置②可分离变压器③能量接收装置。其中，可分离变压器是关键。它对实现大气隙下的能量在原、副边线圈之间高效传输，起了决定性作用。优质的可分离变压器，必须具备漏感小，耦合系数高等特点[11]。

电磁感应式系统由以下特点：①存在较大气隙，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；②较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于

松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；③传输距离较短，实用上多在mm 级。

3.2 磁耦合谐振式

磁耦合谐振式（又称WiTricity技术）是由麻省理工学院物理系、电子工程系、计算机科学系，以及军事纳米技术研究所的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。

下图为磁耦合谐振式无线电能传输系统的框图。该系统主要是由能量发射端及能量接收端组成。能量发射端以直流作为功率输入，经过逆变后形成了高频激励源，使与之直接相连的源线圈产生谐振，且在源线圈的周围形成了交变磁场。发射线圈通过感应源线圈的交变磁场与之形成共振。这样，能量就通过源线圈传送到发射线圈，再经发射线圈传递出去。能量接收端有两个线圈，分别是接收线

图3.2 磁耦合谐振式无线传能系统框图

圈和负载线圈。接收线圈在收到发射线圈传递过来的能量后，再传送给负载线圈。负载线圈之后连接能量变换电路，使高频交流功率转换成直流功率，供给后面的用电负载使用[12]。

这种传输方式的特点是：利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性；中等距离传输，传输效率高；能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响；传输效果与频率及天线尺寸关系密切。

3.3 电磁波辐射式

电磁辐射方式，即先利用天线将微波发射到空间，再由接收天线接收的能量

传输方式。其原理类似于早期使用的矿石收音机。发射端使用微波功率源将直流电转化为微波能量，空间中的微波能量通过整流天线转换为直流功率，为负载供电。这种技术的关键，在于发射源、发射天线以及接收整流天线。发射源需微波功率源，如磁控管、速调管和行波管，通过注入锁相技术，以实现频率锁定及相位锁定，从而获得更高的效率。发射天线需具备高聚焦和定向的能力，有助于提高效率。整流天线技术又是提高微波传输效率的另一关注点[13]。

这种传输方式的特点是：①传输距离远，频率越高，传播的能量越大。在大气中能量传递的损耗很小，能量传输不受地球引力差的影响；②微波是波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波，容易对通信产生干扰；③能量束难以集中，能量散射损耗大。

3.4 小结

作为无线电能传输的三种主流方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术比较具有实现性，且已应用于当前各种电子产品，它的优点是能量的传输效率较高，但存在传输距离短，发热大，线圈对准困难等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振无线电能传输中和了上述两种传输方式，具有中中等距离传输和较高效率的特点，因而受到的关注较多。但目前阶段的传输距离和效率离实际应用还有一定的差距。

4 发展前景

目前WPT 技术还处在研究阶段，主要用于电动汽车、充电轨道、矿井、水下探测、医疗器械和便携式电子产品。其应用领域还在不断拓展，照明、太阳能电站以及航空航天系统等都将成为无线电能传输的新领域[14]。

在交通运输领域，WPT可用于电动汽车的充电装置中，主要采用的是电磁感应传输[2]。这样不仅可以解决各类充电口的建设问题，还可以使电动汽车分散化充电，从一定程度上缓解电动汽车大规模集中充放电对于电网的冲击。新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将ICPT技术成功应用于Rotorua 国家地热公园的

30kW 旅客电动运输车[15]。

在医疗器械领域，无线电能传输的应用主要集中在植入式医疗设备的无线供电里。例如神经刺激器、心脏起搏器、视网膜肢体等等。这类医疗设备的供电功率一般很小，从几十微瓦到几十瓦不等，多采用经过表皮的直接供电、植入式电池无线充电等方式[16]。例如，加利福尼亚大学的G. X. Wang等人研制出人工视网膜供电的装置[17]。日本东北大学的小柳光教授，研制出可从外部向眼球植入的人工视网膜的无线供电系统。英国南安普敦大学成功研制出一款能把振动转化为电能的“小型发电机”，有望在将来能凭借心脏病病人自己的心跳为心脏起搏器供电。

近年来，无线电能传输技术日渐风靡于便携式通信领域，并且，已有不少高科技公司涉及这一领域。例如，美国的Splash Power公司及Power Cast 公司。Power Cast 公司开发的电波接受型储能装置是以美国匹兹堡大学研发的无源型射频识别技术为基础，通过射频发射装置，来传递电能。而Splash Power 公司则以电磁感应技术为突破口，研究出手机充电平台[17]。城市大学的许树源教授也通过深入探索研究，研制出了基于电磁感应的MP3、手机等便携式电子设备的充电平台，并已逐渐开始成果转化。

水下探测，也将是无线电能传输系统一个重要的应用领域。水下的电能传输可应用于深海潜水，深海采矿与深海油田。与此同时，水下电能的获取还可以增强船只的续航能力。

不同的无线电能传输技术的发展必定会推动WPT系统在工程上的应用以及产业化发展，从而提高人们的生活质量，且为节约能源以及电能的有效利用开辟出一条新途径。

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