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无线传能综述


无线传能综述

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传统的电能传输方式大多通过导线或插座将电能传输到终端产品, 这种传输方式 会带来摩擦,易产生电火花等问题,从而影响电气设备的安全可靠性。而无线电力传 输作为一项新兴的电力传输技术,使我们摆脱传统的电能传输方式,近年来受到了国 际范围的广泛关注。文章讲述了无线电能传输

技术在国内外的研究现状,详细叙述了 现有理论框架下的四种无线电能传输技术,并比较了四种技术的特点和应用领域。最 后,阐述了新型无线电能传应用前景及面对问题。 关键词:电磁感应;电磁共振;射频技术;微波

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ABSTRACT
Traditional way of power transmission mostly through a wire or socket to transmit electricity to end products, this way of transmission will lead to friction, easy to produce the problem such as spark, which affects the safety and reliability of the electrical equipment. The wireless power transmission as a new power transmission technology, make us get rid of the traditional way of power transmission, in recent years has received the widespread attention of the international scope. The article tells the story of radio transmission technology research status at home and abroad, is described in detail the existing theory under the framework of four types of wireless transmission technology, and compares the four technical characteristics and application fields. Finally, this paper expounds the new radio can pass application prospect and problems. Key words: Electromagnetic induction. Magnetic resonance; Radio frequency technology; microwave

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1 绪论 ............................................................................................................................................. 1
1.1 概述 ........................................................ 1 1.2 无线电发展历程 .............................................. 1 1.3 各国研究现状 ................................................ 2

2 无线电力传输及其分类 ................................................................................................. 4
2.1 2.2 2.3 2.4 电磁感应 .................................................... 4 电磁谐振 .................................................... 7 射频 ....................................................... 10 微波 ....................................................... 11

3 广泛的应用领域 ............................................................................................................... 15
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 交通运输领域 医疗器械领域 便携通信领域 航空航天领域 水下探测领域 ............................................... 15 ............................................... 16 ............................................... 16 ............................................... 16 ............................................... 17

4 无线电力传输面临的问题及发展 .......................................................................... 17 参考文献 .................................................................................................................................... 18

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1绪论
1.1 概述
如今越来越多的电子产品为人们的工作生活带来了极大的便捷,但传统的电力传 输方式大多是通过导线或插座将电力传输到终端产品,由于存在摩擦、老化等问题, 电能传输过程中很容易产生火花,进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外,传 统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要,如矿井和水中等。此外, 植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便。 人们希望能摆脱传统电力传输方 式的束缚,解除纷乱电源线带来的困扰。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能 传输方式,即无线电能传输(wireless power transfer,WPT),又 称 为 无 接 触 式 电 能 传 输 (contactless 广、更加灵活。 power transfer,CPT),指的是电能从电源到负载的一种 没有经过电气直接接触的能量传输方式。 实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽

1.2 无线电发展历程
无线电力传输研究始于19世纪末。1890年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)做了无线输电试验,他构想的无线输电方法,是把地球作为内导体、地球电 离层作为外导体,通过放大发射机以径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立 大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。但因财力不足,特 斯拉的无线输电构想并没有得到实现。1967年,美国空军同雷神公司合作进行了世界 上首次电力微波传输试验,成功地通过微波向模拟直升机提供电力。1968年,美国工 程师彼得·格拉泽(Peter Glaser) 提出空间太阳能发电(Space Solar Power,SSP) 概 念,其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能传回地球,并通 过整流天线把微波转换成电能。1979年,美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出 太阳能计划—建立“SPS太阳能卫星基准系统”。1994年,科学家利用微波成功地将 5kW的电力送达42m 处。1995年,美国航空暨太空总署(NASA) 建立了一个集研究、 技术与投资于一体的250MW太阳能动力系统(SPS)。2001年5月,法国国家科学研究中 心的皮格努莱特(G.Pignolet) 利用微波进行长距离无线输电试验。一部发电机发出的 电能首先通过磁控管被转变为电磁微波,再由微波发射器将微波束送出40m外的接收 器将微波束接收后由变流机转换为电流,然后将200W 的电灯泡点亮。2003年,欧盟 在非洲的留尼汪岛建造了一个10万kW的实验型微波输电装置, 实现了以2.45GHz 频率 向接近1km 的格朗巴桑村(Grand-Basin) 进行点对点无线供电。 2007年3月,美国宾夕法尼亚州Power cast公司开发无线充电技术,可为各种耗电
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量相对较低的电子产品充电或供电,诸如手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、 汽车零部件, 甚至体内植入式医疗装置等。 2007年6月, 麻省理工学院助理教授马林· 索 尔贾希克(Marin Soljacic) 带领的研究团队利用无线输电技术试制出的无线供电装置 成功点亮相隔7英尺(约2.1m) 远的60W电灯泡。2007年,微软亚洲研究院设计和实现 了一种通用型无线供电桌面,随意将笔记本电脑、手机等移动设备放置在桌面上,即 可自动开始充电或供电。2008年9月,英特尔在美国内华达州的雷电实验室成功地将 800W电力用无线的方式传输到5米外。2008年11月英特尔利用“无线能源共振链接 (WREL)”技术,通过无线方法将电力传输到工作台上的60W台灯并点亮。2008年12 月, 无线充电联盟(Wireless Power Consortium ) 成立, 无线充电联盟是业界第一个推 动无线充电技术标准化的组织,涵盖电池、消费电子、芯片、设备制造、基础设施及 无线充电技术等领域。2008年年底,美国微软亚洲研究院研发出无线充电板装置uPad 样机。2009年1月,摩托罗拉公司在CES2009 大会上展示了Fulton 公司为其智能手机 推出的无线充电器。2010年4月,麻省理工学研究人员实验发现,当为更多的设备充 电时,无线电力传输系统的效率更高。实验使用较小的接收线圈,使这项技术更易于 应用于家庭、办公室、便携式设备等,英特尔和索尼利用这项研究成果推出自己的无 线电力计划。

1.3 各国研究现状
无线电力传输对于新能源的开发和利用、 解决未来能源短缺问题有着重要的意义, 为了摆脱地球环境和能源危机, 人们计划建立太空太阳能发电站作为获取新能源的途 径,而无线电力传输技术发挥着非常关键的作用。因此,许多国家都热衷于无线电力 传输的研究和开发并获得了一定的技术突破和相应的实用产品。 手机的非接触充电技 术同样获得发展,许多大公司都看好这一产品的发展前景,苹果、摩托罗拉、LG、 NTTDoCoMo 等消费电子公司都在发展自己的无线充电产品,苹果计划在iPod和 iPhone 产品中嵌入无线充电技术。美国宇航局尝试从地球通过激光束给飞行器供电, 初步取得了一些成果,不过离实用非常遥远。美国计划2025年在太空建造100座太阳 能电站,满足美国30%的电力需求。日本大力研究无线电力传输技术,计划在2015年 前后将其投入居民生活中。日本20世纪80年代展开太空太阳能相关研究,目标是在 2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000,2030年前向太空发射一颗对地静止卫 星,为地球上50万户家庭提供10亿瓦电能,2050年进入规模运行。对于太空电站产生 的电能,法国计划在同步轨道上安置一面直径为1公里的镜子,将呈微波状态的电能 反射传输到需要它的地方。 美国MIT、 Power cast等公司的数米距离电力传输技术受到了关注。 美国Power cast 公司利用电磁波损失小的天线技术,借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等,实 现了效率较高的无线电力传输。Powercast公司可将无线电波转化成直流电,并在约1
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米范围内为不同电子装置的电池充电。该技术已应用于美国匹兹堡一家动物园,动物 园采用无线输送微弱电力方法,对企鹅笼舍中温湿度传感器充电电池进行远程充电。 美国Palm 公司将无线充电应用在手机上,推出充电设备“触摸石”,可以利用电磁 感应原理为手机进行无线充电。美国Power mat推出的充电板有桌面式和便携式等多 种,主要由底座和无线接收器组成。Fulton公司开发的e Coupled无线充电技术,充电 器能够自动地通过超高频电波寻找待充电电器,动态调整发射功率。美国Power公司 开发的电波接收型电能储存装置是以美国匹兹堡大学研发的无源型RFID技术为基础 的,通过射频发射装置传递电能。美国Wild Charge公司开发的无线充电系统充电板 的外观像一个鼠标垫,能够放置在桌椅等任何平坦表面,可提供高达90W的功率,足 以同时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。 日本株式会社村田制作所采用电场结合型无线电力传输技术, 与TMMS公司共同 开发的无线电力传输系统,具有高效性和较大的位置自由度,将笔记本电脑、手机、 数码照相机等设备放在充电器上,无须特别调整充电位置就可进行充电。NTT DoCoMo等移动通信运营商积极采用非接触充电技术,松下正在联手NTT DoCo Mo 开发无线充电器。1995年,日本邮政省通信综合研究所和神户大学工学部开发的5kW 微波电力无线输电系统,其3m的抛物面天线可准确为飞艇输电。2006 年,日本东京 大学产学研国际中心开发的家用电器无线供电塑料膜片,厚度约 1mm、面积约20cm2、 重约50g,可贴在桌子、地板、墙壁上,为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯 泡或小型电机供电, 当电器进入薄膜2.5cm 范围内, 电感线圈可向设备进行无线供电。 2007年,日本东北大学试制出可从外部向植入眼球的人工视网膜用LSI(Large-Scale Integration,大规模集成电路)进行无线供电的系统。2009年7月,日本昭和飞机工业 公司在AT International 2009展会上,展出了基于电磁感应原理无线传输电力的非接 触式电源供应系统。2010年9月日本富士通公司利用磁铁实现了设备在距离充电器最 远可达几米远的地方进行无线充电。2011年3月,松下推出了内置太阳能板的桌子, 桌子中间是一个大大的太阳能板,桌边白色框就是无线充电垫,可为移动设备提供电 力。 2005年年初,英国剑桥Splash Power公司开发出的商业化无线充电器上市,安装 了电能接收器的便携终端可放到上面充电。英国Halo IPT公司利用其研发的感应式电 能传输技术实现了为电动汽车充电, 并计划2012年为其研发的感应式电能传输技术建 立一个商业规模示范基地。 我国无线电能传输技术相关研究和应用正在起步。2004年,双飞燕公司推出了 “免电池”无线鼠标,鼠标垫通过连接电脑USB 接口获得电能。2005年,比亚迪申请 了应用电磁感应技术的非接触感应式充电器专利。另外,安利净水器采用了富尔顿无 线充电技术, 广东深圳高倚盛推出了GYS-1型无线充电器江苏常熟合众环保能源技术
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研究所实现了对新能源汽车距离数十厘米的无线电能传输。 中国香港城市大学研制出 基于ICPT的手机、 MP3等便携式通信设备充电平台, 可将数个电子产品放在一个充电 平台上通过低频电磁场充电。

2 无线电力传输及其分类
无线电力传输(Wireless Power Transmission,WPT)也称无线能量传输或无线功 率传输,它通过电磁感应和能量转换来实现。无线电力传输主要通过电磁感应、电磁 共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。可以把无线电力传输形式 根据离场源距离的远近(通常以1个波长为划分依据)可以分为远场和近场。 近场分布在场源的1个波长范围内,通常具有如下特点:几乎无推迟效应,任意 时刻,电磁场的分布规律分别与静态场中的电、磁场相同。近场内只有电磁能量相互 转换,能量不向外发射,没有波的传播。而远场中的电磁场能量脱离辐射体,以电磁 波的形式向外发射,电磁场有推迟效应,且辐射具有方向性。就目前技术水平而言, 实现WPT的技术方案主要包括非接触式电磁感应耦合 (ICPT) 、 电磁共振、 射频 (RF) 、 微波以及激光等。

2.1 电磁感应
电磁感应电力传输 (Inductively Coupled Power Transmission, ICPT) 是近场传输, 主要以磁场为媒介,利用变压器耦合,通过初级和次级线圈感应产生电流,以实现无 电气连接的能量传输。电能可以隔着很多非金属材料进行传输,从而将能量从传输端 转移到接收端,实现无电气连接的电能传输。ICPT的传输功率大,能达几百kW;而传 输距离较短,约为1cm以下。 当变压器松耦合时, 在高频交流激励下, 变压器的原、 副边存在很强的电磁耦合, 从而使得大气隙下的能量传输变得可行[1]。ICPT系统主要由3 部分组成:①能量发射 装置,运用PWM控制将低频电信号转换成高频,便于能量传输;②可分离变压器, 实现原、副边的耦合电磁能量传输;③能量接收装置,将传输过来的高频电能整流成 直流电供负载使用。 图1 给出了两种不同电路拓扑的ICPT系统。其中,图(a)为全桥拓扑,反馈控制 并不采用导线连接,而是依靠无线传感器检测出输出极的负载电压和电流,将其反馈 给发射极以实现闭环控制;图(b)采用了半桥拓扑,在控制上原、副边各自有独立 的调节器,使发射极和接收极能进行独立控制。

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(a)全桥拓扑

(b)半桥拓扑 图1 非接触式电能传输系统 从上述ICPT系统可看出: 要实现大气隙下能量高效传输的关键是要研制出耦系 数高,漏感小的可分离变压器。图2 给出了新西兰奥克兰大学在电动汽车非接触式 行车充电系统中采用的分离式变压器,绕组由导电性强、损耗较小的利滋线绕制而 成,气隙为10mm。

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图2 电动汽车非接触式行车充电轨道 由于可分离变压器比电磁紧耦合的变压器漏感要大,在开关管关断时,开关 管上会引起很大的电压尖峰,且大部分能量会损耗在漏感上。因此,需给变压器 的原、副边加补偿电路。文献[2]给出了多种补偿方式(见图3),并就补偿电路 的谐振频率进行了分析。文献[3-4]指出:要实现能量传输,减小变压器体积,就 必须提高工作频率。而高频会使开关管的电压、电流应力增加,因此还需采用软 开关技术。

(a)串-串补偿

(b)串-并补偿

(c)并-并补偿 图3 补偿电路模型

(d)并-串补偿

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2.2 电磁谐振
电磁谐振型电能传输技术(Electro-magneticResonant Power ransmission ,ERPT) 主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振, 发生强电磁 耦合的工作原理来实现电能的高效传输。 2.2.1 基本结构 2007年,MIT 教授 Marin Soljacic 等人发布了MCR-WPT 的研究成果[5]。他们的 传输结构采用四线圈模式,如图4所示。

图4 MIT无线电能传输实验装置 从能量传输的观点出发,至少需要2个线圈才能进行电能传输。利用2个谐振线圈 进行无线电能传输的结构,图5(a)为MCR-WPT的第1种基本拓扑结构,称为两线圈 结构。另外,为了进行电源匹配和负载匹配,文献[6]在2个谐振线圈的基础上,增加 了2个感应线圈,使电源与发射线圈隔离,负载与接收线圈隔离。这种采用4个线圈的 结构为MCR-WPT的第2种基本拓扑结构,称为四线圈结构。这2种拓扑结构的抽象模 型如图5所示。

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(a)两线圈结构

(b)四线圈结构 图5 基本结构的抽象模型 从电路理论的角度出发,可以得到这2种抽象模型的等效电路,如图6所示。

(a)两线圈结构

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(b)四线圈结构 图6 基本结构的电路图 为了有效地传输电能, 发射线圈和接收线圈(以下统称谐振线圈)的自谐振频率设 置为同一频率,即为系统的谐振频率。四线圈结构相比于两线圈结构,其优点在于能 够进行电源匹配和负载匹配,在很大程度上隔离电源和负载对谐振线圈的影响。为了 简便起见,以下的分析均基于两线圈结构。 2.2.2 工作原理 从能量流动的观点出发,分析两线圈结构MCR-WPT 的电能传输机理。两线圈结构 的MCR-WPT 的能量流图如图7所示。

EF--电场;MF—磁场;ZS-电源电阻;RSC-发射线圈电阻; 图7 两线圈结构的能量流图 从图7中可以看出,电源给发射线圈供电,频率为系统谐振频率。此时发射线圈 发生谐振。即使在不高的供电电压下,因为发生谐振,也能产生较大的电流,从而建 立起较强的电磁场。 发射线圈中电容的电场能因为谐振与电感线圈中的磁场能不断地 进行交换。而发射端电感线圈中磁场有一部分铰链到接收端的电感线圈,交变的磁场 在接收线圈中感应出电流,因此能量传递到了接收端。在接收端,电容中的电场能和 电感线圈中的磁场能也因为谐振在不断地进行能量交换,最终把能量传递给负载。 对于MCR-WPT的定量分析, 主要的理论有耦合模理论(coupled mode theory, CMT), 电路理论(circuit theory,CT)以及带通滤波器理论(band pass filter,PF)[7]等。以下部
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分主要针对目前运用得最为广泛的前2种理论进行介绍。 (1)耦合模理论。 根据描述强耦合系统的耦合模理论,可以得到如下模型:
da1 t = j?0 ??1 a1 (t) +j?12 a2 (t) + ?s ej?t dt 1 da2 t = ? j?0 ? ?2 + ?? ?a2 (t) + j?21 a1 t dt

式中:a1(t)为发射线圈所含能量的平方根;?1为发射线圈的固有衰减率;当把下 标1变为2时,代表的是接收线圈的对应值;?0表示系统的谐振频率;?12=?21表示2个谐 振线圈之间的耦合系数;?se 表示系统的激励,此时表示电压源;?L表示负载的固
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有衰减率。 进一步简化,写成矩阵形式,如下所示: d a1 t j?0 ??1 j?12 = j ? j ? ? ?2 + ?? d a2 t 21 0 通过解该方程组,整个系统亦能被求解出。 (2)电路理论。

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a1 t a2 t

j ?t + ?s e (2) 0

利用图6中两线圈结构的等效电路图,根据基尔霍夫定律,可以得到两线圈结构的 回路方程如下所示: 1 I ? j?M12 I2 = U j?C1 1 (3) 1 ZL + R 2 + j?L2 + I ? j?M12 I1 = 0 j?C2 2 式中:下标1代表发射线圈的电量;下标2代表接收线圈的电量。 进一步简化,写成矩阵形式: 1 Zs + R1 + j?L1 + j ?C ?j?M12 I U 1 . 1 = (4) 1 I 0 2 ?j?M12 ZL + R 2 + j?L2 + j ?C Zs + R1 + j?L1 +
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当电源频率等于系统自谐振频率时,发生谐振,此时有j?L1 + j ?C = j?L2 + j ?C = 0
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方程组(4)可以进一步简化,并求得相应的电流,进而求解出整个系统。

2.3 射频
射频电能传输技术(Radio Frequency Power Transmission, RFPT)主要通过功 率放大器发射射频信号,然后通过检波、高频整流后得到直流电供负载使用。 RFPT传输距离较远,能达10m,但传输功率很小,大约为几mW至100mW。其主要
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用途是在便携式终端中提供待机时损耗的功率。 RFPT 技术在医疗电子行业也得到了 长足发展。 在医疗应用领域, 可用于人工心脏中的核电池充电, 耳蜗植入装置供电等。 医疗植入式装置无线电能传输系统的基本工作原理是采用E类放大器(见图8)作为 RFPT系统的发射极,产生的耦合电磁波经穿透人体后,通过谐振回路将电磁波转化 为电能,再经过整流、滤波、稳压等辅助电路而得到所需的工作电压。采用RFPT技 术,可以避免人体受感染的风险,同时又解决了电池寿命有限的问题。

图8 E类放大器

2.4 微波
微波电能传输(Microwave Power Transmission,MPT)是将电能转化为微波,让 微波经自由空间传送到目标位置,再经整流,转化成直流电能,提供给负载。 一个微波能量传输系统的几个基本组成部分如图9所示。尽管各个部分各自的相 关试验中分别都能达到最大的效率, 却不能在一个完整的系统中同时实浙江大学硕士 学位论文现各自的最大值。因此,目前已被实验证实的最大总效率为54%,如果能将 各个部分的传输效率更好地匹配,总传输效率将有可能达到76%。

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直流-直流理论转换效率理论最大值76% 直流-直流转换效率实验值54% 图9 微波传输能量框图 2.4.1 射频信号 射频信号源其实就是一个振荡源,本文将利用压控VCO及锁相环(PLL)制作射 频信号源,其原理简单介绍如下。 1.LC压控振荡器(VCO) 微波或者射频信号是由振荡器产生的,振荡器是微波系统中必不可少的部件。有 源器件与谐振回路是振荡器的最关键模块。 当一个振荡电路的输入频率与输入电压之间有对应的函数关系, 则此振荡电路就 形成了一个压控振荡器(VCO)。 它是一种可以把直流电自激转换为交流电而不需要外 加任何输入信号的器件,根据振荡器输出信号波形的不同,可以将振荡器分为正弦波 振荡器和非正弦波振荡器,其中非正弦振荡器一般为多谐振荡器,它产生的信号可以 是方波或三角波等。 按照振荡器的原理, 可以将振荡器分为反馈振荡器和负阻振荡器。 射频或者微波振荡器的主要技术指标是输出频率与输出功率, 调谐范围与供电电源也 是需要考虑的。如果将一个受电压控制的、电抗可变的元件插入到任意一种振荡电路 中,形成的振荡回路就是压控振荡器。 如图10所示,此压控振荡器是由一个晶体管、两个普通电容、一个变容二极管与 一个电感组成, 是一个基本的克拉泼型LC压控多谐振荡器。 其中T为晶体管, C1、 C2、 Cv为回路电容,且Cv比较特殊,它不是一个电容提供的容量,而是变容二极管在电 路中反向偏置时所表现出来的容量L为回路电感; 一般来说电容值C1、 C2比Cv大得多。 我们知道振荡器的输入控制电压是与输入频率有关系的,从原理图中可以看出Cv会 随着输入电压Uc的改变而改变,Cv改变之后,振荡频率会跟着改变。 电压与频率的关系式为: ? ? ?0 = 1 LC (1 + c ? ) 2 0 式中0是当输入电压=0时,变容二极管反向偏压时的电容量;为变容二极管 的结电压;γ 是结电容变化指数。如果振荡器的输出频率与控制电压不是线性关系, 我们可以使用很多措施来解决线性问题。

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图10 LC压控振荡器原理图 2.锁相环(PLL) 上面提到了振荡器是产生射频/微波信号的必要装置,而振荡器的频率输出 必须要保持稳定, 而使其频率稳定的方法之一就是使用反馈控制电路, 即锁相环 (PLL) 。 其工作过程是:压控振荡器产生一个射频信号,该信号分为两路,一路为输出,另一 路利用程序分频器将其分频,之后与外部的参考信号比较,如果输出频率的信号与参 考信号的相位不同,那么说明输出频率不稳定,此时我们需要调节振荡器的输入电压 大小,进而调节与输入电压有特定关系的输出频率,使输出频率的相位与参考信号相 同,锁定频率相位。 如图11所示,锁相环一般是由鉴相器(PD,Phase Detector)、环路滤波器(LF, Loop Filter)和压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)三部分组成。

图11 PLL原理框图 这样通过压VCO与PLL就可以构成一个微波信号源,再经过多级功率放大器之后就 可以向自由空间中辐射微波能量。 2.4.2 微波整流 现阶段整流电路模型一般有半桥、全桥等整流模型,但是实际应用中,单个二极
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管的整流模式被认为是最简单、最有效、最经济的整流模式,如果将接收天线等效为 内阻为Rs的电压源Vs, 则使用单个理想整流二极管并联的闭环整流天线电路模型如图 12所示

图12 整流天线电路模型

2.4.3 微波无线电能传输的收发天线实例 MWPT接收天线用的是整流天线,它是专门为了微波电能传输而设计和发展起来的。 就像名称所表示的,这种天线包括了天线和整流器的功能,能够实现能量收集、 谐波抑 制和整流。它的简单形式包括了一系列的整流天线元件,每个元件有一个半波偶极子 连结一个低通滤波器并用一个整流二极管做终结器。 二极管的输出流入一个公共的直 流总线,然后这些总线可以以串行或并行的方式连在一起与负载匹配。整流天线有很 多种形式,图13所示的电路可以制成窄片格式,应用于空间能量供应。它的改进形式 曾成功的应用于一个加拿大小组研制的微波供能飞机上。

图13 两平面硅整流天线前向面功能示意图
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1968年,美国工程师P Glaser首先提出了一种使用MPT 技术的太阳能发电卫星, 其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地, 利用取之不尽的太阳能来进 行发电,然后通过微波将电能传输到地面的接收装置,再将所接收的微波转变成电能 供人类使用。这种构想的最大优点在于充分利用太阳发出的能量,整个过程是个太阳 能、电能、微波、电能的能量转变过程。2003 年,科学家在非洲成功完成了MPT 实 验,使得整个村庄实现了无线供电。MPT 的传输效率不高,工作频率主要工作在C波 段(5.8-35)GHz,由于MPT技术受地形及环境影响较大,真正得以应用还尚有距离。

3 广泛的应用领域
无线电力传输技术在医疗器械、便携通信、航空航天、交通运输、水下探测等领 域有着广泛的应用前景,涉及军事、工业、医疗、运输、电力、航空航天、空间站、 卫星、 军舰、 航母、 节能环保、 便携式通信设备等行业。 随着材料学、 电力电子器件、 功率变换和控制技术的发展和 WPT 技术的逐步成熟以及特殊场合下无线电力传输 需求的增长,WPT 应用逐步成为现实。无线电力传输应用产品包括低功率低能耗电子 通信产品、家具产品、办公产品、治疗仪器、交通工具,如:手机、MP3、电动牙刷、 电子遥控门锁、梦幻彩灯、掌上电脑、笔记本电脑、吸尘器、电话、净水器、冰箱、 微波炉、体温表、助听器、心脏起搏器、心脏调节器、心脏除颤器、电动汽车、动车 组、 矿井电车等。 目前 WPT 技术大多处在研究阶段, 产品应用的主要是 ICPT 和 RFPT 技术。ICPT 技术主要应用于电动汽车、机车的充电轨道、矿井和水下探测,RFPT 主 要应用于医疗器械和便携式电子产品。

3.1 交通运输领域
在交通运输领域采用的是ICPT技术, 主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置 中。美国工业协会将电动汽车的感应式充电系统按功率分为3: ①用于应急的小功率 充电器,功率等级为1-3kW; ②中等功率充电器, 功率等级为5-25kW, 完成充电需4-8h; ③快速充电器/柜,功率等级为75-300kW。挪威的Parkon公司正在研发基于ICPT技术 的专用充电装置。该装置通过线性光学定位系统,引导驾驶员将车身上的充电插座对 准固定的充电器插头, 利用汽车自身的动力, 将充电器的插头和插座牢牢地连接起来。 ICPT技术的难点在于能量的传输定位以及如何提高系统效率。新西兰奥克兰大学所 属奇思公司已将ICPT技术成功应用于国家地热公园的30kW旅客电动运输车。20世纪 90年代后期,日本、德国等国家也开始从事ICPT 的研究和实用化产品开发,获得了 一定的技术突破和相应的实用产品, 如日本大阪富库公司的单轨型车和无电瓶运货车、 德国奥姆富尔 (Wampeler) 公司的150kW载人电动火车, 轨道长度达400m, 气隙为120mm, 是迄今为止建造的最大的ICPT系统。

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3.2 医疗器械领域
WPT技术的发展也改变了医疗植入式电子系统的供电方式。如心脏启博器的核电 池,其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。在医疗电子系统中,主 要采取RFPT技术,通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能,主要有经皮能 量传输和直接能量传输。Fernhndez等人设计了一种用于耳蜗植入装置的经皮能量传 输系统,采用E类发射电路驱动射频线圈,最高效率可达到75%。受两线圈距离及失配 情况影响,两线圈间的距离在3-10mm左右,发射电路由电池供电,接收线圈连到整流 电路及负载,最后可得到5V直流电压。随着植入式系统的复杂化,系统的功耗越来越 大,对于短期植入式系统,电池完全可以胜任(如胶囊内窥镜),但对于长期植入式 系统往往不能满足要求。无线和光电供电能解决上述问题。基于E类放大器的电磁感 应供电效率可达到70%左右,还可以同时传输数据,但RFPT技术容易受其他电子设备 发生干扰。不同的供电方式之间也可结合使用,如日本柴建次和越地耕二将射频经皮 能量传输与可充电电池结合,为人工心脏提供能量。

3.3 便携通信领域
近年来, WPT 在便携通信领域也日渐风靡。 并已有不少高科技公司涉及这一领域, 如美国SplashPower公司和Power Cast公司。Power Cast公司开发的电波接收型电能储 存装置是以美国匹兹堡大学研发的无源型RFID技术为基础,通过射频发射装置传递 电能。而Splash Power公司则以ICPT技术为突破,开发了手机充电平台。香港城市大 学的许树源教授也通过深入研究, 研制出了基于ICPT的手机、 MP3等便携式通信设备 充电平台,并已开始进行成果转化。

3.4 航空航天领域
微波电能传输在航空航天和电力领域已开始得到应用。日本邮政省通信综合研究 所和神户大学工学部于1995年成功地开发了利用微波输送5kW电力的无线输电系统。 该系统输送的电力,主要作为飞艇的能源来使用。通信综合研究所、神户大学、通产 省机械技术研究所等共同开发的WPT系统是由直径为3m的抛物面天线, 向飞艇集中发 送微波,用安装在飞艇上的特殊天线接收,送电用的线附有跟踪装置。即使飞艇随风 漂移, 也可准确跟踪完成送电。 MPT技术的发展也推动了空间太阳能发电和卫星技术 的革新。空间太阳能电站发出的电能可通过微波向卫星和地面传输电能。空间太阳能 电站中的WPT 技术发展经历了很多的阶段,发射,反射和接收技术等得到了很大的发 展。微波频率已突破传统的2.45GHz,提高到5.8GHz,大大减小了WPT系统的体积,降
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低了电站成本。美国、俄罗斯、日本等国在MPT技术上的最大问题是传输效率不高, 发射与接收效率不高,大气衰减严重。在整个无线电能传输系统中,电流至微波的转 换效率很低,因此首先要提高微波发生器的转换效率。

3.5 水下探测领域
水下探测也是WPT系统的一个重要应用领域。美国Wisconsin大学在这方面率先展 开了研究[8]。采取的主要技术是ICPT技术,其分离式变压器采用的是线性同轴绕组变 压器。Wisconsin大学的研究小组对WPT系统在水下的额外阻抗和功率损耗,同轴变压 器的设计原则,变换器原、副边侧的电路拓扑以及传输电缆的设计均进行了深入地研 究。该课题小组研制的样机耦合传输功率为500VA。水下高频功率传输,损耗是关键 问题。由于海水是优良导体,其电阻随着频率的增长而增加。随着工作频率的提高, 海水导电面积减小,电流主要从电缆流通。海水作为导体损耗增加。在研究水下电能 传输时,可将海水看作与原边绕组同轴匝链的绕组,通过增加耦合来限制电流路径, 以减小耦合海水的损耗。 水下电能传输可用于深海潜水, 深海油田与深海采矿。 同时, 水下电能的获取还能增强非核动力船只的续航能力。

4 无线电力传输面临的问题及发展
无线电力传输的主要障碍是无线电力传输的效率和距离,无线电波的弥散、吸收 与衰减是无线输电的难点。电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、 不易集中、定向性差,能量在无线传输过程中,空气作为耦合介质,电力载体的磁力 线会有极大损耗,特别是微波,漫射在空间,能量衰竭更快。因此无线电力传输功率 低,整体效率差,难以输送大量的能量,电力难以进行大功率远距离的无线传输。对 于无线充电,充电器与被充电设备之间以磁场形式连接,各种各样的干扰会造成能量 传输的损耗,电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等问题也制约着电动汽车的 无线充电发展。无线电力传输工程规模巨大,无线电力传输系统要解决电力生产和输 送两大问题。另外,对于无线充电产品,无线充电设备必须经过相关机构的认证,同 时需要找到一种相对成熟的商业模式来打开市场缺口。此外,还要对无线充电的技术 进行改良和完善, 需要形成一个国际通行的标准, 使收发设备之间具备广泛的兼容性。 无线电力传输是一项很有发展前途的新技术。未来,无线电力传输将不断融入人们的 生活,改变人们的生活方式,让人们真正进入无线时代。有一天,小功率电器、家用 电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线充电,无 线电力传输将会掀起一场21 世纪的家居革命。而太空远程无线电力传输计划,也有 望为人类找到新的能源提供帮助。

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参考文献
[1] K.W.E.Cheng, Lu,Y. Development of a ContactlessPower Converter, IEEE International Conference onIndustrial Technology, 2002 (2): 786-791. [2] Chwei-Sen Wang, Grant A.Covic, Oskar H.Stielau.Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomenaof Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2004, 51 (1):148-157. [3] Nasser H.Kutkut, Deepak M.Divan, Donald W.Novotny,et al. Design Considerations and topology Selection for a120kW IGBT Converter foe EV Fast charging [J]. IEEETransactions on Power Electronics, 1998, 13(1): 169-178. [4] Kutkut, N.H, Klontz, K.W, Design considerations forpower converters supplying the SAE J-1773 electricvehicle inductive coupler, in Proc. IEEE APEC 1997(2):841-847. [5] Kurs A,Karalis A,Moffatt R,et al.Wireless powertransfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science,2007,317(5834):83-86. [6] Awai I,Komori T.A simple and versatile design method of resonator-coupled wireless power transfer [7] system[C]// International Conference on magnetically Communications,Circuits and Systems.Chengdu,China:IEEE,2010:616-620. Awai I.Design theory of wireless power transfer system based on coupled resonators[C]//IEEE International Conference on Wireless

Information Technology and Systems.Honolulu,USA:IEEE,2010:1-4.

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