非接触式移动电源新技术.pdf

一综述 S u r v e y 非接触式移动电源新技术 电气自i 畔 垫 墨 量 旦型 T h eN e wT e c h n o l o g yo fC o n t a c t l e s sM o b i l eP o w e r 重庆大学自动化学院 重庆4 0 0 0 孙跃杜霄飞披欣苏玉刚 C h o n g q i n g 哳i v e r s 时 C h o w q l n g4 0 0 0 4 4 C h i n a S u nY u e D uX u e f e iD a lX i nS uY u g a n g 一一 摘要 移动电气设备的灵活 移动 供电问题 能量的灵活接人问题 一直是电气工程界密切关注的问题 论文探讨了一种基于I C P T 技 术的能量接人新模式 介绍了其原理和特点 以及在大容量移动用电设备 室内用电设备和人机电一体化中的应用前景 该模式 必将成为电气自动化领域最具重大意义的研究方向 具有巨大的杜舍价值和经济价值 关键词 移动电源I C P T 供电模式非接触式供电 A b s t r a c t T h es m a np o w e rs p p I ym o d ef o rm o b i l ed e c t r i c a ld e v i c e s s m a r te i a e r g y c o n n e c t i n g i sa l w a y s8p o p u l a rc o n v e l no fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g g r o u pT h ep a p e rd i s c u s s e san o v e lm o d eo fe n e r g yc o n n e c t i n gb a s e do nI C P Tt e c h n o l o g y a n dp r e s e n t s i t so r i n e i p l ea n dc h a r a c t e r i s c eM t r e o v e r i t so u t l o o ko nd e e t r i c a ld e v i c e so fg r e a tc 8 p a b t l i t r f a m i l ye l e c t r i c a lf a c i l i t i e sa n de l e e t d c a li n t e F a t i o no fh u m a na n d m a c h i n ei sp u tf o r w a r dT h i se n e r g yc o n n e c t i n gm d eh a si t ss i 伊i f i e a n tv a 2 t l ei n i e t y e c o n o m ya n dt h er e e e m ho fe l e c t r i c a la u t n n l a t i o t l a r e a K c y w o r d s m o b i l eD o w B rs u p p l yI C P Tp o w e rs u p p l ym o d e c o n t a c t l e s sp o w e rs u p p l y 中图分类号 T M 9 1 9l 文献标识码 AI 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 0 3 0 5 0 0 1 1 0 3 1 概述 随着科学技术和社会经挤的不断进步与发展 电气化生产 电 气化交通以及电气化家庭日益成为主流 电气化设备日益普及到 社会各个角落 众所周知 一般电气设备的电能基本上都来自于 固定电源 通过电线接触获取电能 即能量直接传导模式 通常采 用 导线十接线器 方式 该模式带来的问题是多点接触的不可 靠性和设备电源进线的繁琐性 导致设备迁移障碍 移动电气设 备的传统取电方式 滑 滚动取电 带来诸如大气高频电磁污染 机 构磨损 导线裸露 灵活性差以及不雅观等问题 同时给安全供电 带来了很大影响 尤其在特殊场合 如含易燃易爆气体的场所 由 于接触火花的随机存在将可能造成重太安全隐患 太容量长距离 移动电气设备的安全供电 灵活供电 绿色供电问题和解决固定电 力系统电能进入电气设备的 灵活接人问题 是电气工程和自动化 领域一项重要研究领域 上世纪九十年代 新西兰奥克兰大学的渡依斯教授 P r o f B o y s 及他领导的课题组利用电磁感应原理 结合 现代电力电子技术和控制方法 提出了感应耦合电能传 输 1 n d u c t i v eC o u p l e dP o w e rT r a n s f e r 简称I C P T 技术 并 由此形成了一种电气能量接人新模式 它的出现彻底改 变r 几百年来人们仅仅依赖于导线直接供电 接触式供 电和蓄电池供电的电气设备供电模式 实现了非接触式 过程供电 即在移动中供电 开辟了能量接入的新时代 2 能量按入新模式 术 无线通讯技术简化了信息交流手段 提高了通信设备的灵活 性 与之类似 I C P T 技术也利用电磁耦台与感应原理 结合现代电 力电子大功率能量变换技术 包括谐振变换技术和电磁兼容设计 技术等 借助现代控制理论和方法 实现能量从静止电源系统向 电气设备传输 在一定程度上实现能量的无线传输 2 1I C P T 技术简介 I C P T 技术实现能量传输机理在很大程度上与变压器技术相 似 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 受侧 但与变压器不同的是 1 变压器的原边线圈通常是多匝线 圈 而在I C P T 中 原边 仅仅是一根载流导体 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具有高磁导特 性的铁磁材料 这样具有很高的传输效率 而由于I C P T 系统对能 量输出的移动性要求 使系统的 原边 与可移动的 副边 具有较 大的问隔 致使磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段 这 就需要采取必要措施 如提高电流频率等 以提高传输教率 丘一奇 利用电磁感应原理 实现信号的无线传输 这就是无线通信技 田1 非接触式电信传输装置结构框圈 日e c o 酬A u r o r a a t i o n1 1 万方数据 电气自动化 2 0 0 3 年蔑兰型 塑 综 述 S u r v 业 2 2 非接触式供电装置的结构及原理 实现这种能量接人新模式的装置称为非接触式电能传输装 置主要由两人部份组成 见图1 一部分是能量发送器 P o w e r T s m i t t r P T 主要由整流滤波电路 高频逆变装置和导轨线圈 高频载流电缆 组成 叉称为电源导轨 另一部分是可在一定范 围内一定方向上移动的能量接收器 P o w e rR e c e i v e r P R 主要由 拾取线圈眦及功率涮节器组成 两个部份相对独立 无机械 电气 连接 但又通过磁场耦合具有能量相关性 通常一个能量发送器 为多个能量接收器供电 从而实现多种负载的同时供电 经过发送器变换电路将三相工频电源 转换成为高频交变的 电流 陂高频电流流过导轨 在其周围形成高频交变磁场 通过电 磁感应及耦台 抬取线圈产生感生交变电动势 再通过功率调节 器 将能量转化为负载所需的形式 然后向用电设备提供电能 在 I C P T 系统中 这里的 高频 的频率一般为2 0 3 0 k H z 前进讲到 由于电磁感应机构和传输介质的特殊性 1 C P T 系 统的能量传输教率较低 其解决的措施包括 采取高频 1 0 3 0 k H z 传输磁场以提高磁感应效率 基于谐振模式的软开关电力 电f 能量变换技术以降低开关器件损耗和电磁干扰 E M f 等 在 能量接收器中 并联调谐电容尽量补偿拾取线圈电感 以降低输出 回路无功功率 同时还需要保证能量接收器的反射阻抗不影响电 源导轨电路的稳定性 2 3 特点 1 C P T 技术是实现电能非接触式电能传输的新型实用性技术 利用该技术的能量接入新模式克服r 传统供电模式的种种缺陷 具有以r 特点 1 对环境的亲和性 该模式实现了安全 灵括供电 不对周围 环境形成危险 或释放有害的污染 如炭积 废气等 它自身用以 能量传递的磁场只限于接收设备周围 不向远处扩散 不会对人 动物或其它设备造成不良影响 2 环境适应能力强 该模式可以在非常恶劣的环境下可靠运 行 不受周围尘埃 潮湿 及化学腐蚀物等的影响 3 灵活性高 由于导轨线圈与拾取线圈采用松耦合形式 可 实现非接触获取电能 其灵活性高 与传统供电模式相比 4 具有低维护或无维护的特点 5 利用了国际上最前沿的I c 玎技术 可广泛地应用于多种 行业 部门和领域 3 大容量移动电气设备的能量录潘接入 随着电气化 自动化技术的不断发展 移动电气设备日渐广泛 容量越来越大 移动的灵括性要求也越来越高 大容量移动电气设 备 如工厂移动吊装设备 矿井采掘与矿井运输设备 城市电气化交 通工具等 的传统接触式供电模式已远不能适应其 大容量 和 移 动性 要求 基丁I C t 7 I 技术的非接触式电能传输技术的出现很好地 实现了移动设备与固定电力电源系统的能量灵活接人问题 3 1 在工矿企业和城市高层建筑方面的应用 目前工矿企业的移动吊装设备 如行车 电动葫芦等 和矿车 等大都采用接触式取电方式 问题是取电机构的接触火花会带来 很大危害 以采矿业为例 2 0 0 1 年死亡人数占工矿企业死亡人数 1 2 E l e c t r i c a A u t o m a t i o n 1 2 5 5 4 人 中的 4 6 有专家统计 死 亡3 人以上的煤矿事 故中瓦斯事故的比例 接近7 0 死亡1 0 人 以上的煤矿事故中瓦 斯事故占到9 0 以 上 由此可见 在特 定的环境 尤其是存 在易燃易爆气体 如 瓦斯 汽油汽化雾等 的环境 电火花或漏 电存在巨大的安全隐 患 安全供电居于极 为重要的地位 此外 图2日本大阪富库公司的 部分自动化生产线也 C S C 5 0 0 单轨行车 存在移动设备供电问题 因此 由于基于I C l 叩的能量接人新模式 能满足恶劣工作环境 灵活性和安全生产的需要 在工矿企业有巨 大的市场需求 早在九f 年代前期 日本大阪富库公司和奥克兰大学台作开发 出单轨行车 R a m r u n 系列 已成功应用于许多材料运输系统中 其 中一种单轨行车 导轨线圈长1 3 0 m 导轨线圈电流 O A 拾取线圈艮 2 2 0 m m 可有效实现7 5 0 W 功率的传输 其最新的产品是C I e a nF A 系 列 见圈2 B M WA G 公司部分汽车装配车间的自动化装配线也采 用了德国W a m p n e r 公司生产的非接触式供电装置 3 2 在交通运输方面的应用 主城区电气公交车目前采用的都是集电竿方式取电 存在不 雅观 不安全 不灵活以及维护困难等问题 因此 大多数城市已取 消 采用I C P T 技术 由于非接触取电 可将供电电源导轨 电力线 置于地表层下面 车载能量接收器从电力线上感应获取电能 这 样的输电模式能克服传统供电模式所带来的种种不利 由此看 来 I C P T 技术将使无轨电车重新进入都市 另外 本文提到的能量 接人新模式还可用于电动汽车蓄电池感应快速充电 特别是行驶 过程中自动充电 国家计划在 十五 电动汽车国家重大科技专项 中为研发投人88 亿元人民币 这为我们提供了 个很好的契机 发展能量接人新模式在感应充电方面的应用 2 0 0 0 年3 月 日本三井公司交付了一辆电动机车 该机车利 用I C P T 技术 把行车道路分为充电区和一般行驶区 当机车驶 充电区时 机车内的蓄电池自动进行感应充电 行车速度对充电几 乎投有影响 而在一般行驶区 由蓄电池供电 充电区可安排在直 道或弯道上 甚至可以在水中或潮湿环境下充电 且充电轨道发出 的电磁波很小 不会对人体造成伤害 另外 日本的J u n j ih i r a i 等人提出无线传输功率和信息 W T P I 技术 即能量 信号同时传输 利用该技术 他们研制出一 种用于电动汽车和移动机器人的智能充电系统 其功率传输效率 可达9 2 数据传送的频带宽度能达到85 M H z 可辨识电池类型 实时反馈或监测电池端电压 充电电流和温度 并且能实时调整充 电电压和充电模式以达到最优充电效果 2 1 万方数据 4 室内用电设备的能量灵活接入 随着电气化社会的到来 室内电气设备越来越 多 电源线和信眵线众多 蓝牙技术去掉r 电气设 备的信号线 实现了设备间的信息灵活接人 解决 了信息传输的 摄后一米问题 令人兴奋的是 I C P T 技术 可称之为 P o w e r e dT o o t h b r u s h 进一步 去掉电气设备的电源线 实现能量灵活接人 能量 接人新模式大大简化r 硬件连接 解决r 能量传输 综述 S u r v e y 外部装置 的 最后一眯问题 是一种彻底的 无线革命 该模式即将进入 宴际应用阶段 将具有广阔的应用前景 作为室内电气设备移动供电 其具体做法是 在用电设备适当 的位置 靠近能量发射器 安装具有能量拾取功能的适配器芯片 通过适配器芯片从附近的能量发送装置 一般为板式结构 获取能 量为设备供电 这种电源模式能够灵活提供所需的电压和极性 同时使底板的其余部分不作用 即不产生磁场 适配器芯片验证接 收到的电压等参数是否满足需求 确认后向设备提供电能 工作 时 底板监控设备的电流是否正常 同时监测是否有其余用电设备 的存在 2 0 0 3 年1 月9 日一1 2 日在赌城拉斯维加斯举办的 2 0 0 3C E S 国际消费电子产 品 展 二种产品吸引了全球 的目光 英国的S p l a s h p o w e r 及美国的M o b i l e W i s e 展示出 的无线充电器 见图3 可 图3 美国M o b i l e W i s e 公司的以让手机 P D A 以及其它产 新型无线供电端置 品摆脱一大堆电线与转接器 的困扰 这种无线充电器性价比高 S p l a s h p o w e r 公司的充电板 能 量发送器 仅有6 r a m 厚 价值 1 0 0 芯片 能量接收器 厚度为 1 m i l l 只需 02 5 电器与充电板之间可间隔l e m 充电 研究发现 只要传输频率选取适当 该模式不会产生有害的电 磁辅射 对 体无害 不会对附近的信用卡 软盘等磁产品产生不良 影响 也不会于扰周围通讯设备 如手机等 的使用 5 人机电一体化装置的能量灵活接入 随着通讯 医疗技术的发展 出于人体自身疾病治疗目的 以 及军事 特种行业需求 人体体内逐渐出现了内植式电子装置 人 机电一体化不再只限定于人与机器表面结合 更进一步提升到人 机电一体化紧密结合形式 在人机电一体化的发展进程中 内植电 子装置的供电问题是关键问题 现在一般采用蓄电池 或通过导管 线 穿越皮肤对体内装置供电 显然 这二种方式会带来种种不 利 阻碍了人机电一体化的发展 I C P T 技术的出现 为该问题提供 了一个绝佳的解决方案 人体外感应供电 即人体外能量装置 以无线传送方式对体内的电子装置进行供电 或对体内蓄电池进 行充电 目前 能量接入新模式在人机电一体化中的应用还处在 起步阶段 产品还不成熟 需要进一步开发研究 可以预料 未来基 于I C P T 的能量接入新模式将会更普遍地出现在人机电一体化中 人机电一体化对装置的要求极高 要体积小 重量轻 尤其 电气自动化 2 0 堕墨差 堂塑曼璺 图4 神经刺激器结构图 内部装置 是安全性好 目前 在内植医疗设备上 国外已经有了一些采用能 量接人新模式的试验装置 例如德国一种内植遥感勘测装置 用 于监测内植医疗辅助设备的状态 该装置接收线圈采用镍锰铁高 导磁率舍金4 0 L 功率小 频率低 35 45 k f l z 可突叫传递能量 和数据 另外 北卡罗来纳州立大学电子计算工程系等研究机构 开发出一种内植神经刺激器以弥补视网膜功能缺陷 该装置分为 内外二部分 见图4 外部装置固定在眼镜上 内部装置植人眼 内 由于耦台系数小 采用E 类功率放大器驱动原边线圈 通过感 应电磁耦合 完成数据传递 3 0 1 d p s 6 0 0 k b p s 和能量传递 内部 装置获取的电压不受数据传送的影响 6 我们的研究与探索 重庆大学自动化学院 非接触式电能传输拄术耐f 究及装置研 制 课题组已于2 年前开始从事该领域的研究工作 今年3 月研制 出国内第一套基于I C P T 技术的移动式供电装置样机 该装置同时 驱动二个负载 一是作为固定负载的灯箱 电磁感应机构采用E 形铁芯 另一个是作为移动负载的运动小车 电磁感应机构采用 环形铁芯 装置设计容量5 0 0 W 输出负载电压最高可达2 2 0 V 导 轨电流最高可达3 0 安培 传输频率2 0 k H z 该装置的研制成功填 补了国内在此领域自主开发该类设备的空白 对我国能罱传输技 术发展具有一定的意义 7 结语 综上所述 利用电磁感应耦台原理的I C P T 技术是一种高新技 术 基于该技术的能量接人新模式是一种新型的安全 灵活 绿色 供电模式 克服了传统供电模式的种种不足 具有对环境的亲秆I 性 适应能力强 做到免维护或低维护运行 目前 能量接人新模式 在国外取得了显著成果 逐渐进入实用阶段 而国内对该技术及产 品的研究非常薄弱 相关技术研究还处于起步阶段 尚无成熟产 品 我们应该充分认识到能量接人新模式对未来工业产生的重大 影响 抓住机遇 迅速开展这方面的研究 争取赶超世界先进水平 参考文献 1 张涛矿难 罪魁祸首不是瓦斯 N 人民1 4 报 2 0 0 3 0 4 0 9 1 5 f 2 J u n j iH i r a i T a e W o o n gK i n A t s u oK a w a m u r aS t u d yo l lI n t e l l i g e n t B a t t e r yC h n gU d I n d u c t i v eT r a n s m i s s i o no fP o w e ra n dT n f o m l a t i n J T R A N S A C T I O N S O NP O W E RE L E C T R O N I C S 2 0 0 0 1 5 2 3 3 5 3 4 5 作者简介 孙跃 博士 4 3 岁 重庋太学自动化学院戢师 工业自动化专 业 E l e c t r i c a l A u t o m a t i o n 1 3 万方数据 非接触式移动电源新技术非接触式移动电源新技术 作者 孙跃 杜雪飞 戴欣 苏玉刚 作者单位 重庆大学自动化学院 重庆 400044 刊名 电气自动化 英文刊名 ELECTRICAL AUTOMATION 年 卷 期 2003 25 5 被引用次数 2次 参考文献 2条 参考文献 2条 1 Junji Hirai Tae Woong Kin Atsuo Kawamura Study on Intelligent Battery Charging Using Inductive Transmission of Power and Information 外文期刊 2000 02 2 张涛 矿难 罪魁祸首不是瓦斯 2003 本文读者也读过 9条 本文读者也读过 9条 1 孙跃 卓勇 苏玉刚 王智慧 唐春森 SUN Yue ZHUO yong SU