前沿科技无线充电报告课题

1、电场耦合式无线充电技术简介 前沿科技报告 报告人： 学 号： 2016.12.13 报告提纲 无线充电发展历史 无线充电的原理 电场耦合式无线充电技术 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 无线充电的应用 ?无线充电的发展历史 1.19世纪30年代，法拉第发现周围磁场的变化将在电线中产生电流； 2.19世纪90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目的物理学家特斯拉提出了无线电力传输的构想； 3.香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出“无线电池充电平台”，需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理 4.2007年，美国麻省理工学院的马林索尔贾希克（Marin Soljacic）等人在无

2、线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡 5.2008年12月17日，无线充电联盟（Wireless Power consortium）成立，其使命是为了创造和促进市场广泛采用与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi 6.2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟，在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国 报告提纲 无线充电发展历史 无线充电的原理 电场耦合式无线充电技术 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 无线充电的应用 ?无线充电原理电磁感应式充电 1、电磁感应式充电 初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈

3、中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端 无线充电原理磁共振式充电 2、磁共振式充电 由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个无线充电技术装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic 带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。 无线充电原理无线电波式充电 3、无线电波式充电 这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持

4、稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器 无线充电原理电场耦合式充电 4、电场耦合式充电 充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。 8 无线充电原理各种方案对比 报告提纲 无线充电发展历史 无线充电的原理 电场耦合式无线充电技术 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 无线充电的应用 ?电场耦合式无线充电技术 电容式无线能量传输（CPT）：一个典型的电场耦合无线能量传输系统极板结构如图 所示 通过电感L

5、s和耦合电容Cs1和Cs2的谐振，提高耦合电容上的电压，从而在较小的耦合电容上产生较大位移电流，实现能量的传递电感Ls和电容Cs1和Cs2之间的谐振，还可以补偿电力电子变换器的无功，提高变换器的工作效率。 电场耦合式无线充电技术 CPT系统结构图 一个较为具体的CPT 系统如图 所示，主要包括供电直流电源、高频逆变电路、耦合机构、补偿网络和整流滤波电路五个部分 CPT 系统的耦合电容较小，需要在高频下进行能量传输 直流电在高频逆变电路中转为高频交流电 补偿电感主要作用是降低逆变器输出无功功率，并通过谐振提高极板间电压，同时实现软开关 发射板在高压、高频交流电作用下，与接收板产生互交电场，形成位

6、移电流，实现能量的传递 电场耦合式无线充电技术 耦合方式耦合方式 磁耦合 传输距离远、功率大 电场耦合 1、降低发射成本 2、损耗小 3、涡流损耗小 对比方式对比方式 优点 缺点 增加系统成本，使用高频大部分研究集中于小功率铁氧体材料对磁场进行引和小距离( 毫米及以下距导，增加重量，带来损耗， 离) ，大功率中 泄露磁场的存在引起传输远距离的研究和应用还很效率下降 少 研究较多 1、耦合结构设计 2、补偿网络频率特性分析 3、电力电子能转换技术 研究人员均认为电场耦 合方式无法进行大功率远距离的无线电能传输， 忽视了对电场耦合方式的深入研究，并没有完全 发挥该技术的优势 研究内容 电场耦合式无

7、线充电技术 电场和磁场耦合方式的传输功率、效率、距离统计 2015 年末，美国密西根大学在CPT 领域的研究出现了质的飞跃 除了轻薄的发射接收极板、直流到直流90%以上的能量传输效率，在水平偏移距离为极板尺寸1 /2 时，无需调节开关频率和补偿网络参数，传输功率可维持在无偏移时的90%以上，并且效率仍达到90%以上，对位置的偏移具有极强的鲁棒性 电场耦合式无线充电技术 国内外研究现状国内外研究现状 如何实现电力电 子变换器的软开关 电容耦合机构的设计 补偿网络的分析与优化 电场耦合传递功率同谐振频率成正比，由于E 类放大器工作频率高，可实现零电压开关基于E 类放大器的CPT 谐振网络设计和调谐

8、、E 类放大器的软开关条件等成为了一个研究的方向而对于半桥和全桥逆变器，其软开关实现条件和范围更为简明，将电路调谐至感性区域即可实现ZVS 增大耦合电容 增加偏移差 1、2012英国布鲁内尔大学以耦合电容发射端的电压电流相位为优化条件，有效降低了补偿网络和耦合电容的无功 2、2015 年美国密西根大学Chris Mi 教授，在其提出的磁场耦合双边LCC 补偿网络的基础上通过对偶提出了电场耦合的双边LCLC 补偿网络，在等效耦合电容仅有18 pF 的情况下，实现了2. 4 kW，150 300 mm 距离的无线能量传输，效率达到90% 3、美国威斯康辛大学优化设计了基于单管ZVS 变换器的CPT

9、 系统，实现了千瓦等级的功率传输，其耦合电容大小为24 nF 报告提纲 无线充电发展历史 无线充电的原理 电场耦合式无线充电技术 电场耦合式无线充电技术的瓶颈无线充电的应用 ? ?电场耦合式无线充电技术的瓶颈 一、杂散电容问题 对电容极板周围的环境因素考虑较少， 这使得在中远距离无线电能的传输应用中存在一定的问题 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 二、补偿网络的评价与优化 尚未有研究从电场耦合的能量传输机理进行分析， 补偿网络的设计和优化的评价指标不明确， 难以在相关指标的指导下设计和优化补偿网络来提高传输功率和效率。 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 二、补偿网络的评价与优化 补偿网络的设计和优化需

10、要考虑的三个关键因素: a) 电源的功率因数 b) 耦合电场的功率因数 c) 耦合电容的无功因数 高效的大功率电场耦合传输， 其补偿网络应该满足如下三个条件: 补偿电源无功，实现电源的高功率因数; 实现耦合电场的高功率因数; 要能够调谐耦合电容两端电压，使其幅值尽量相等，从而减少耦合电容无功功率 电场耦合式无线充电技术的瓶颈 三、电磁辐射问题 相比于磁场， 耦合电场主要集中在电容极板之间， 周围空间泄露电场可通过增加屏蔽来降低。 a)一方面应做到泄露电场强度处于安全限值之下; b)另一方面， 对于中远距离的传输， 可研究异物检测方法， 及时对非正常工作状况下进入高电场强度区域的生物体进行判断

11、报告提纲 无线充电发展历史 无线充电的原理 电场耦合式无线充电技术 电场耦合式无线充电技术的瓶颈无线充电的应用 ? ?无线充电的应用 在轨道交通中研究进展 无线充电的应用 在轨道交通中研究进展 参考文献 1 李思奇,代维菊,赵晗,帅春燕. 电场耦合式无线电能传输的发展与应用J. 昆明理工大学学报,2016,03:76-84. 2 麦瑞坤,李勇,何正友,杨鸣凯,陆立文,刘野然,陈阳,林天仁,徐丹露. 无线电能传输技术及其在轨道交通中研究进展J. 西南交通大学学,2016,03:446-461. 3 Lu F , Zhang H , Hofmann H，et alA Double -Sided L

12、CLC-Compensated Capacitive Power Transfer System for Electric Vehicle Charging J. Power Electronics，IEEE Transactions on 2015,30(11): 6011-6014 4 Lu F，Zhang H，Hofmann H，et al An Inductive and Capacitive Combined Wireless Power Transfer System with LC-Compensated Topology J. IEEE Transactions on Power Electronics,2016, 99:1 5 Zhang H，Lu F，Hofmann H，et al A 4 -Plate Compact C