非接触式电能传输技术概述

非接触式电能传输技术概述上期内容：西电智慧电气杯创新大赛科技前沿最近，非接触式电能传输（Contactless Energy Transfer, CET）技术得到了广泛的研究与关注，为移动设备供电提供了新的路径，即有效避免了线缆、插头和导电滑环；对于一些诸如航空、生物医学、多传感器应用、机器人工业这样的重要领域，CET 技术显著地增加了系统的可靠性，减少了装备的维护工作。

本文对基于电力电子电路的CET技术进行了回顾与总结CET，也通常被称为非接触式功率传输（Contactless Power Transfer, CPT）或者无线功率传输（Wireless Power Transfer, WPT）。

根据能量传输介质的差异，CET可分为：声波耦合式CET、光学耦合式CET、电场耦合式CET以及当前最流行的磁场耦合式CET（也称为感应式CET），如下图所示。

接下来，本文将对这些技术的基本原理、最新进展、优缺点及应用场合进行介绍，其中将重点介绍磁场耦合式CET技术。

1、声波耦合式CET技术声波耦合式CET技术的基本原理如下图所示。

直流电能通过逆变器、发射器转换为声波，并通过空气、生物或金属介质进行传播；接收电路将接收到的声波转换为交流电能，并在整流、滤波之后供给负载。

其中的发射器、接收器通常采用压电材料实现，这种材料受到压力作用时会在两端面间出现电压。

因此，利用压电材料的这一特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。

与磁场耦合式CET技术相比，声波耦合式CET技术具有以下特点：1）对于任意尺寸的发射器和接收器，声波耦合式CET技术使用的开关频率可比磁场耦合式CET技术小得多（仅为后者的Cair/Cem倍，其中Cair、Cem分别为声波及电磁波在空气中的传输速度）。

因此，电力电子变流器的损耗也相对较小；2）可在不允许电磁场存在的场合使用；3）当电能传输的方向确定时，系统体积比磁场耦合式CET系统小；4）通常，声波耦合式CET系统效率比电感性系统要低；然而，当发射器与接收器距离远大于它们的半径时，系统效率要比电感性系统高。

声波耦合式CET系统的常用场合包括：生物医学（100mW 以下、效率最高为40%）；需要通过金属屏障的无线传输系统（如核电站的传感器、真空室、气体钢瓶），功率可达1kW，效率为84%。

2、光学耦合式CET技术光学耦合式CET系统的工作方式类似于远场电磁波或微波能量传输，然而其频率范围位于可见光谱范围（或附近）。

系统基本原理是：发射器通过激光二极管产生带有能量的光束，接收器采用光伏二极管重新转换为电能。

虽然目前微波技术已经实现大功率能量的传输，但是当远距离使用时会存在衍射损耗，系统效率会大大降低。

目前的研究报道中，光学耦合式CET系统的功率等级从低于1W到数十W不等，光电转换效率为20%-30%。

主要应用场合包括航天器平台以及陆上平台。

3、电场耦合式CET系统电场耦合式CET系统的基本原理如下图所示。

电能通过高频谐振电力电子变流器连接到两个一次金属平板；当两个隔离的二次平板被插入时，平板间会形成交变电场，并产生可以传导的偏置电流。

以这种形式，电能可以在无直接电气接触的情况下传递到负载，且可以在一定自由度内移动一次及二次平板的位置。

二次平板电路中通常会串接电感，以调节等效耦合电容并增大输出功率；电能最终通过整流器及电容滤波后供给负载。

耦合金属平板的表面通常会覆盖绝缘材料，以提供电气绝缘特性，同时增大耦合电容。

与磁场耦合式CET系统相反，电场耦合式CET系统利用了电场，因此金属屏障并不影响。

由于金属平板间的电场强度受限，电场耦合式CET系统具有降低电磁干扰的能力。

电场耦合式CET系统的功率等级为5-50W，效率为50%-80%。

其典型应用场合包括LED灯供电、手机充电、呼吸机传感器、生物电测量等。

4、磁场耦合式CET技术磁场耦合式CET（Inductive CET, ICET）系统包含一个一次侧谐振变流器，用于将直流电能变换为高频交流电能。

之后，交流电能通过变压器（耦合系数为k）传输到二次侧接收器。

由于原、副边之间没有电气连接，因此可以在一定范围内移动（线性移动或旋转），保证了负载供电的灵活性、便携性和安全性。

高频交流电能在二次侧被整流电路转换为符合负载需求的直流电能。

大多数情况下，该电路采用二极管整流器与电容滤波的组合；在一些特殊应用场合（恒功率交流/直流负载），会采用有源整流或逆变的形式。

因此，磁场耦合式CET系统主要包含的组件为：一个大气隙变压器和谐振变换器。

几种典型CET技术对比结果如下表所示：4.1 磁场耦合式CET技术的分类根据功率等级及气隙长度的不同，磁场耦合式CET可采用不同的变压器铁芯。

对于大功率及小气隙场合，原副边均采用有磁芯变压器设计。

大气隙及中低功率场合中通常使用无磁芯的空气变压器。

例如，滑动变压器的使用可以为线性或圆周运动提供便利。

CET系统的最终配置方案同时取决于负载数量，可能选择原边或副边具有多抽头的变压器。

磁场耦合式CET技术主要有四种类型。

4.2 变流器及其补偿电路二次侧串联补偿的优点是在其谐振频率处不产生反射电抗，而二次侧并联补偿在谐振频率处会反射容性电抗。

二次侧并联补偿的可取之处是它不依赖于所连接的负载，以电流源形式输出，适合给电动汽车电池充电。

然而，二次侧串联补偿更适合具有中间级直流电压母线的系统，例如用PWM变流器为变速交流电机供电。

在这种情况下，应根据输出需求合理选择补偿电路拓扑。

理论上讲，串联-串联型(Series-Series, SS)是最优拓扑，因为一次侧容抗独立于磁耦合强度和变换器负载，而其他三种拓扑都依赖于磁耦合强度。

4.3 谐振变流器的控制策略磁场耦合式CET系统中谐振变流器的控制策略有多种方式。

在耦合系数与负载恒定的情况下，变流器通常采用固定开关频率的控制方式。

在负载参数可变的情况下，需要在线监测开关频率并根据负载状况做出自适应调整。

这种情况可以通过锁相环电路实现相位控制或峰值电流控制，也可以使用积分控制方法来实现可靠控制。

4.4级联式的旋转变压器给工业机器人及操纵器供电的时候，通常采用下图所示的磁场耦合式CET系统。

对于第一个旋转变压器，电源侧经过交-直-交变换产生200-600V、20-60kHz的方波电压，并供给一次侧绕组。

变压器二次侧与另一个交-直-交变换器相连，通过PWM调制生成可变频率的交流电压，并供给第一个三相电机。

该变压器的二次侧同时与第二个旋转变压器的一次侧相连；而第二个旋转变压器通过类似的方式给第二个三相电机供电，并耦合到下一个旋转变压器。

通过这种方式可以增加更多的变压器，并驱动整个机器人。

类似的系统可以被应用于多层介质光盘的数据存储。

不同的是，该数据存储系统的功率输出仅为20-30mW，而工业机器人驱动的功率一般为10-20kW。

4.5副边多绕组的变压器采用多绕组变压器的CET方案可以同时为多个相互隔离且可移动的负载供电，具有较强的灵活性。

多绕组变压器通常是副边采用多个绕组。

当需要使用稳定的交流/直流负载时，需要使用一个额外的逆变器或斩波器；此时会产生额外的损耗，导致系统效率下降。

基于这个思路，研究人员提出了类似于“插头-插座”的方式：负载采用类似电流钳的方式与供电线缆进行无线连接。

此外，德国ABB研发中心建立了一种适用于工厂的无线通讯与供电（WISA）系统，解决了传感器与执行机构的无线连接问题。

在这种情况下，变压器一次侧采用无磁芯单绕组设计，并与分布式二次侧多绕组耦合，为每个传感器、执行器提供10mW的功率。

4.6 滑动变压器基于滑动变压器的非接触电能传输系统通常应用于远距离供电，且滑动变压器的原边绕组较长。

根据负载的运动形式，ICET系统可采用两种配置形式：对于线性移动负载，可采用加长环的形式；而对于圆周运动的负载，则采用圆周形式。

二次侧绕组固定在可移动的磁芯上，副边变流器直接与二次侧绕组相连。

这种磁芯的构造使二次侧绕组可在一次侧绕组形成的环路上自由移动，因此滑动变压器为构建长距离无线输电系统提供了可能。

考虑到磁性特性、机械特性，滑动变压器的磁芯通常包含多层非结晶或纳米晶磁性材料。

然而，当负载具有宽动态范围特性时，磁芯的磁场惯性可能会造成问题：能量接收装置需要配备大型磁芯，因此二次侧的重量会增大。

通常，一次侧绕组的长度一般为1-70m，输出功率为1-200kW。

4.7 应用范例：电动汽车V2G技术V2G是Vehicle-to-Grid 的简称，当混合电动车或纯电动车的电池需要充电时，能量从电网输送到电池；反之，在电动车停运的时候，可以进入放电模式，将电池储存的能量回馈至电网。

随着新一代混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)及插电式混合动力汽车(Plug-in HEV, PHEV)的发展，汽车通过插头从电网中取电变为现实；对于PHEV而言，通过电力电子系统可以实现V2G技术。

V2G技术的大规模应用有利于分布式能源接入电网，因为电动汽车的蓄电池起到了削峰填谷的作用。

蓄电池储存的能量巨大；在美国，当PHEV的市场渗透率为10%时，将会取代全国25%的发电装机容量。

当然，这种设想依赖于基础设施的建设，包括充电桩、V2G接口、无线通信系统以及电网中的调度系统。

以15kW双向磁场耦合式CET系统为例进行举例说明。

系统的配置方案如下图所示。

在电网侧的能量输入接口为三相PWM变流器。

二次侧放置在电动汽车上，采用相同的变流器，并与电池组相连。

由于原副边绕组之间的气隙很大，因此CET变压器运行时的磁耦合系数很小，其漏感值比传统变压器要大得多。

这种变压器配置方案的结果就是：磁化电流增加，导致更高的变流器导通损耗，漏感增大导致了绕组损耗增大。

为了解决这一问题，ICET系统通常采用谐振变换器，并对变压器的漏感进行补偿（电容Cr1和Cr2），以提高系统的运行效率。

FPGA控制器中的算法由两部分组成：1）谐振变换器的积分控制，负责系统最大能量传输及过压/过流保护；2）控制能量在电网和电池组间的双向流动。

只有当一次侧电流过零时，门极信号才会发生改变，因此积分控制方法可确保谐振变换器工作于谐振频率。

双向CET系统的开关频率为60kHz，气隙长度为23cm，P1rms=13.35kVA，实物图片如下。

系统的稳态运行的仿真、实验结果如下图所示。

积分控制将谐振变换器下方的驱动晶体管短路，减小了原边电流峰值。

通过这种控制方式，系统实现了能量流动控制，且保证了系统的安全稳定运行。

如下图所示。

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