无接触电能传输技术的研究进展_图文

1、2010年 7月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 7 第 25卷第 7期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010 无接触电能传输技术的研究进展杨庆新 1陈海燕 2徐桂芝 2孙民贵 3傅为农 4(1. 天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 3001602. 河北工业大学电气与自动化学院 天津 3001303. 匹兹堡大学医学中心 宾夕法尼亚 15260 4. 香港理工大学电机系 香港摘要 无接触电能传输技术具有广泛的应用前景。目前主要的无接触电能传输方式有远场辐 射、电磁共振和电磁感应直接耦合三种。远场辐射

2、采取微波或激光来传递能量,频率最高,传输 距离最远,效率也较低。电磁共振采用频率为 MHz 范围的谐振频率实现电能在波长范围内的中 等距离高效率传输。基于电磁感应原理的电能传输技术相对比较成熟,频率较低,传输距离相对 很小,传输效率较高。本文主要分析了这三种电能传输方式的特点及国内外研究现状,给出了该 技术的应用前景及存在问题,也展示了一些研究结果。关键词:无接触 电能传输 感应耦合 磁共振耦合 辐射 研究进展中图分类号:TM72, TM15Research Progress in Contactless Power Transmission Technology Yang Qingxin1

3、Chen Haiyan 2Xu Guizhi2 Sun Mingui 3 Fu Weinong 4(1. Tianjin Polytechnic University Tianjin 300160 China2. Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 3. University of PittsburghPA 15260 USA 4. The Hong Kong Polytechnic University Hong Kong ChinaAbstract Progress in researches and applicatio

4、ns of contactless power transmission technology with great prospects is introduced. Radiation, magnetic resonant and induction coupling are the three main techniques used in contactless power transmission. The first one utilizing microwave or laser can transfer energy through a long distance like fr

5、om outer space to the Earth, but with the lowest efficiency due to the reflection and absorption of the atmosphere which limited its applications. The magnetic resonant strong coupling system including two independent circuits with the same resonant frequency reaching MHz can realize power transfer

6、between them almost without loss. The efficiency is pretty high and the distance can be several meters. As already applied in electric transformers, electric vehicle and Maglev, inductive energy transfer system has the highest efficiency and the nearest transfer distance. In this paper, the developm

7、ent history and principal applications of these three techniques are given and compared. Some of their potential applications and hotspots are proposed in detail. And existed problems in them are discussed. Some research results are also given.Keywords :Contactless, power transfer, inductive couplin

8、g, magnetic resonant coupling, radiation, progress in research1引言无接触电能传输作为人类梦想之一,早在 1897 年, Nikola Tesla就在无线电工程技术领域注册了 20项 发 明 专 利 1。 随 后 在 纽 约 附 近 的 长 岛 建 造 Wardenclyffe Tower(Tesla Tower进行了无线功率 传输实验, 在没有导线的情况下点亮 25mile (1mile= 1.609km 以外的氖气照明灯。1968年, Peter Glaser提出了在功率级别远低于 国际安全标准的条件下,利用微波从太阳能动力卫国

9、 家 自 然 科 学 基 金 (50977062 和 河 北 省 自 然 科 学 基 金 (E2007 000089资助项目。收稿日期 2009-12-05 改稿日期 2010-03-08第 25卷第 7期 杨庆新 等 无接触电能传输技术的研究进展 7星向地面传输功率的想法 2。在 1995年, NASA 设 立了一个集科研、 技术和投资学习于一身的 250MW 太阳能动力系统 (SPS , 而日本的目标则是在 2025年建立一个低成本的示范模型。无接触电能传输技术是指通过非接触的方式传 输电能的方法,其应用领域非常广泛,传输功率相差 较大,小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几 十瓦功率,

10、大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率 以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。概括起来有以下 几个方面:应用于生物医学:用放置于体外的设备 (利用变压器电磁耦合传输能量对体内设备进行无 接触供电。应用于交通运输以及水下、井下:进行 海底探测、建立海底空间站都需要应用这项技术。 应用于机器人的驱动:在关节处,使用旋转变压器, 大大提高机器人的灵活性,使机器人的应用更加广 泛。应用于电池充电:可以是手机、电动牙刷、电 动剃须刀等用的小型电池,也可以是用于电动汽车、 起重机等的大功率电池。其他,例如可以用于除尘 器等。如能研发出大功率、远距离的无线能量传输装 置,将有可能引起能源领域一场变革 3,10。现有

11、的无线能量传输技术主要有:感应耦合技 术:通过相对很直接的接触来进行能量传输,尤如把 机器放在一个垫子上就能进行充电。磁场共振技 术:当两个物体在同一频率实现共振时,将实现能量 的无线传输;基于微波或光波的辐射技术:通过某 种独特的接收器接收空气中尚未散失的辐射能量,并 将其转换成电能,储存在电池中。目前,除了太阳能 辐射的热能之外, 由于损耗大、 效率低制约了其应用。 这三种基于不同原理的技术在传输距离上分别 对应近、中和远距离。电磁感应是基于主线圈产生主磁场,二次线圈 要处于这一磁场之中, 所以使得传输距离非常有限。 在较大距离下,这种非共振、非辐射耦合传输效率 非常低,能量损耗严重。而基

12、于磁场共振耦合传能 可以克服这一缺点,磁场会通过类似“隧道”的传 能形式到达具有相同谐振频率的接收线圈 4。2三种电能传输方式的分析2.1感应耦合技术电力变压器是这一技术的最直接应用。变压器的 一次和二次电路没有直接连在一起,能量的传递是通 过电磁耦合过程也即互感来实现的。同时,也可实现 变压的功能。目前在感应传能耦合技术的研究及应用 中,都采用分离变压器原理。这一技术的优点在于原 理简单,容易实现,近距离能量传输效率高,可高达 99%。但是缺点在于传输距离短,对位移和频率变化 的稳定性差。需要一次、二次线圈尽量保持在对齐状 态,一旦出现相对位移,效率急剧下降。对一次、二 次铁心的形状和对齐方

13、式要求高。2.2磁场共振技术2006年 11月,麻省理工学院(MIT 的学者们 应用广为人知的电磁场近场理论,建立了基于强耦合 的共振能量传输系统,设计合理的振荡器,可以在几 倍于振荡器尺寸的中等距离内产生比较高的传输效 率, 降低损耗 4-5。 理论依据在于:如果两个振荡电路 具有相同频率,那么在波长范围内,是通过近场瞬逝 波耦合。感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内, 允许能量高效地从一个物体传到另一物体。由于共振 波长远远大于振荡器尺寸,所以可以不受附近物体的 影响,而且由于磁场和生物体之间相互作用很弱,所 以对生物体是比较安全的。这就好比一把钥匙和一把 锁, 发射器和接收器都调谐到同样

14、的 MHz , 让能量可 以传输到同一个预定目标。非辐射场确保能量在传输 中丢失不会太大,也不会影响环境 6-7。而且利用共振搜寻电路等技术,能够有力地搜 寻相应的电磁频率并且提供弹性的 (依据电器所需 能量转移,在各种电流负载、空间相对位置下,皆 能有效运作,并且减少能量的损耗。MIT 的方案中,来自能量信标的能量会穿越一 切物体,但是其通过共振能量天线所设定的目标会 和能量信标频率保持一致。这一技术就有点类似于 让手机的共振天线将电话转接到某个特定号码的方 法。在能量传输的情况下,天线的电容会增加到足 够使能量进行高效传输,只是距离还不够远,只能 达到 12ft (1ft=0.3048m

15、,所以属于中等距离传输。 图 1为 MIT 的实验系统示意图。 图 1 MIT的磁共振系统1与频率变换器相连的铜线圈 2电源插座 3障碍物 4与负载灯泡连接的共振铜线圈Fig.1 The resonant system model of MIT8 电 工 技 术 学 报 2010年 7月图中负载灯泡为 60W ,铜线圈直径 60cm ,传 输距离 2m 。障碍物可以是墙体、木材、金属等,但 是传输效率只有 40%,距离 1m 时可达 90%。可见 这一技术为电能的中等距离无接触传输提供了可 能。这项技术的优点是电磁辐射对生命体的影响极 小,对其他频率的电子设备干扰很小,并能够对多 个共振频率电

16、器设备用户供能。2.3远场辐射技术远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的 传输距离。只要合理设计接收机形状,采用高精度 定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传 能。通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向 传输。接收端采用硅整流二极管天线可以将微波能 量转换回电能。在人体允许的能量密度 1mW/cm2范围内,在直径为 10km 的空间,传递能量可达 750MW ,这也是多数电厂的通用标准。随着矿物燃料的匮乏,二氧化碳排放,全球气 温上升等问题的出现,人们的目光则被吸引到绿色 能源上来,其中太阳能以其能量高,取之不尽,全 天候供应成为能量的最理想来源之一。美 国 宇 航 局 (NASA

17、的 空 间 科 学 家 John Mankins 设想把这一技术应用于太阳能空间采集并 已在夏威夷海滩进行相关实验。 如图 2和图 3所示。 图 2 太空太阳能采集系统 8Fig.2 Solar energy collection system in outer space 图 3 效率高达 80%的太阳能板Fig.3 Solar energy panel with 80% energy transfer efficiency通过在太空安装一组直径 1km 的太阳能电池板 采集太阳能,然后以定向微波或激光技术源源不断 地 把 能 量 传 回 地 球 再 转 换 成 电 能 。 Discover

18、y Channel 曾报道这一设想,太阳每秒辐射 17亿 4千 万亿瓦的能量,远远高于人类有史以来发电总和。 热能在真空传播不会有损耗,但当到达近地球的 60mile (1mile=1.609km大气层范围之内,反射及 吸收严重 9。如果这种方法可行,那么无论对于解 决能源危机还是缓解温室效应都是一个好消息。微 波传能的优点是距离远,速度快。在电磁辐射接近可见光谱范围时,能量可以一 激光束方式传播,但是这一技术有以下缺点:电能 先转换成光能再转换回电能, 两次转换效率都很低; 空气吸收损耗;目标与发射器要在可视范围内,中 间无障碍等。激光传输电能的优点是定向性好,无 电气绝缘和隔磁的要求。3目

19、前研究内容及进展受传能效率及高成本条件限制,人们对辐射传 能技术的研究还较少。目前的研究主要集中在感应 耦合传能和电磁共振耦合传能两个方面。其中感应 耦合技术相对已经非常成熟,相关应用及成型产品 很多,共振耦合理论及应用最近几年正逐渐成为新 的研究热点。3.1感应传能基于电磁感应原理的电能传输系统主要由交流 电源、一次侧变换器、可分离变压器和二次侧变换 器四部分构成。系统结构图如图 4所示。与通常的 电力传输系统相比,这里增加了一次侧变换器和二 次侧变换器。无接触电能传输系统属于疏松耦合系 统, 传输性能一般较差, 为了提高系统的传输能力, 一次侧变换器通常采用高频变换器。可分离变压器 是无接

20、触电能传输系统的最重要组成部分,它的性 能对于整个系统的稳定、 高效起着至关重要的作用。 图 4 无接触电能传输系统结构图Fig.4 System diagram of inductionpower transfer system第 25卷第 7期杨庆新 等 无接触电能传输技术的研究进展 9尺寸模型 图 5为研究的一个可分离变压器结构尺寸示意 图(对称结构。 图 5 E-E型可分离变压器尺寸(单位:mm Fig.5 An E-E detachable transformer model 系统的稳定性图 6为可分离变压器铁心水平错位时的磁场分 布图。 图 6 E-E型可分离变压器水平错位 10m

21、m 时磁力线分布 Fig.6 Magnetic flux distribution of a E-E detachable transformer with 10mm horizontal displacement图 7为系统耦合系数与水平位移的关系曲线; 图 8为系统耦合系数与气隙关系曲线;图 9为传输 效率与频率的关系曲线。 图 7 耦合系数随水平错位的变化 Fig.7 Coupling rate vs. horizontal displacement图 10和图 11分别为 8字形线圈和圆形阵列线 圈的结构示意图; 图12为以上两种线圈结构的磁通 密度比较。图 8 耦合系数随气隙大小的变

22、化Fig.8 Coupling rate vs. gap length图 9 效率随频率的变化Fig.9 Relationship between efficiency and frequency图 10 8字形线圈Fig.10 8 figure coil图 11 圆形阵列线圈的全模型Fig.11 Array coils10 电 工 技 术 学 报 2010年 7月 图 12 圆形阵列线圈和 8字形线圈磁通密度的比较 Fig.12 Comparison of magnetic flux density B between array coils and 8 figure coil阵列线圈的聚焦

23、性较好, 适当调整线圈的半径、 电流密度以及匝数可以提高阵列线圈的聚焦性能, 在较远的距离接收到更多的电能。3.2共振传能图 13为共振耦合系统的原理图。 系统由以下几 部分组成,两个具有相同谐振频率的振荡器、驱动 电路和输出电路。高频交流信号输入到驱动电路, 驱动源振荡器通过电磁感应从驱动电路取得能量, 通过磁场共振强耦合,能量通过“隧道”被传递到 接收器,与负载直接相连的输出电路通过电磁感应 取得能量 5。 图 13 共振耦合系统构成Fig.13 Configuration of magnetic resonant coupling system系统的设计基础在于两个振荡电路之间重叠存 在

24、的瞬逝波耦合。不同于远场的损耗辐射,这里属 于近场无损非辐射共振耦合。 虽然 Source 和 Device 之间的非辐射耦合随两者距离有所衰减,但是从理 论上说,未被负载吸收的部分能量会返回发射端, 从而不会对效率影响很大 11。国际电信联盟(International TelecommuNica- tion Union, ITU 分配给工业、 科学和医学 (Industrial, Scientific and Medical, ISM 设备的自由辐射频率 为 13.56MHz , 27.12 MHz, 40.68MHz , 2.45GHz 等。 在这些频率范围内的电磁辐射强度不受限制 12

25、。 基于以上标准,在设计振荡器时,要尽量限制 其振荡频率在此范围之内。频率越高,波长越短, 为限制其在近场距离内,频率不宜太高,故而设计 的电路频率大约在 7MHz 左右,波长为 40m 左右。 振荡器电路由电容和电感组成 LC 谐振电路, 其谐振频率要与驱动电路频率一致。 MIT 采用的是 直径 600mm 的铜线圈和平板电容器,不同于 MIT 的设计,为了应用于医学植入装置的供电或医学监 测,系统体积要尽量小而且韧度高,尽量不受变形 影响,所以这里采用薄膜平面线圈形式,厚度为 0.2mm 的薄膜铜线粘贴在薄的树脂绝缘材料上,在 背面垂直线圈绕向,粘贴一些铜线导体组成电容, 具体构成如图 1

26、4所示。 (a LC 振荡器正面 (b LC 振荡器反面 图 14 LC振荡器Fig.4 LC resonator这种薄膜型振荡器便于携带,可以粘贴在衣服 内表面,或者设备底面,柔韧度高,不受形状限制, 例如可以在用户衣服内侧粘贴此类线圈,随时对体 内装置或体外监测设备供电,基本不会影响衣服外 观。采用 Ansoft 公司的分析软件 HFSS 对上述振荡 器电路进行仿真,求解 S 参数得到其谐振频率,结 果为 8MHz 。图 15为振荡器 HFSS 有限元模型,图 16为仿真结果。S 参数也就是散射矩阵,二端口的散射参量是 2×2=4个,分别为 S 11, S 12, S 21, S 22,是一个 2×2的矩阵。 S 11:端口 2匹配时,端口 1的反射系数:第 25 卷第 7 期 杨庆新等 无接触电能传输技术的研究进展 11 型机器人，在这一共振磁场作用下，与磁致伸缩器 件产生另一个机电共振，实现能量由电能到磁能， 再到机械能的高效率转换传输。图 17 为实验台。 图 15 Fig.15 振荡器 HFSS 有限元模型 Simulation model with HFSS 图 17 Fig.17