无线电能传输基本原理与关键技术 课件 第一章 绪论

无线电能传输基本原理与关键技术第1章

绪论2无线电能传输（WPT，wirelesspowertransfer）是利用电磁场耦合或电磁波传播，实现电能由发射端无接触传递到接收端的输电方法具有无电气接触、安全可靠、高效便捷的特点，增加了供电方式的灵活性实现无接触能量自由传输与转换，突破了“不宜、不易”供电场景的局限性无线电能传输是一项前瞻性和颠覆性的输电新技术，是电气工程学科的前沿热点方向2008年被美国《技术评论》杂志评选为“未来十大科研方向之一”同年入选中国科学技术协会“十项引领未来的科学技术”Tesla向外展示无线输电原理2007年MIT展示中长距离WPT技术WPT技术应用场景丰富第1章

绪论3目前典型无线电能传输技术分类传输方式磁场感应耦合磁场谐振耦合电场感应耦合微波传输激光传输超声波传输基本原理工作频率20kHz~300kHz60kHz~30MHz200kHz~14MHz300MHz~3000GHz20THz~400THz>20kHz传输介质空气空气各种介质空气空气各种介质传输功率大（千瓦级）小（百瓦级）小（瓦级）大（千瓦级）大（千瓦级）小（百瓦级）利用区域近区场近区场近区场远区场远区场近区场传输距离短（毫米级）中短（米级）短（毫米级）远（千米级）远（千米级）中短（厘米级）传输效率高中低低低中直观称谓短距离传输中距离传输短距离传输远距离传输远距离传输中距离传输第1章

绪论4目前近场型无线电能传输技术研究体系逐渐形成并得到细化，形成了以下8个主要研究方向：无线电能传输机理及模型研究无线电能传输补偿网络研究无线电能传输耦合机构及抗偏移技术研究无线电能传输中电力电子驱动与控制研究电场及磁电混合传输研究动态无线电能传输及互操作性研究全向无线电能传输技术研究无线电能传输技术电磁安全及磁屏蔽技术研究基于新物理概念的无线电能传输方式无线电能传输系统示意图第1章

绪论5无线电能传输机理及模型研究无线电能传输技术集合了电磁场、电力电子、控制理论与控制工程等多学科的复杂系统，能量传输的机理以及精准的系统数学模型是实现高性能系统的基础为了描述无线电能传输系统，学者们从电路的角度提出了该系统的互感模型和二端口模型理论为了精确描述实际电感和电容表现出非整数阶的行为，学者们提出了分数阶建模方法，形成了分数阶模型为了优化无线电能系统的效率，学者们从能量传输的角度将耦合模理论、能流理论及宇对称理论应用到了无线电能传输系统中，形成了耦合模模型、宇对称模型和能流模型S-S型非自治无线电能传输电路基于PT的无线电能传输基本电路S-S型自治无线电能传输电路第1章

绪论6无线电能传输补偿网络研究磁耦合系统中发射与接收之间存在较大的气隙，导致耦合机构漏感较大，耦合系数低，系统的能量传输效率低，

因此通常需要补偿网络来补偿无功功率以此提高系统传输功率及效率针对不同补偿网络，从输入源类型、系统效率、输出功率、输出特性、耦合系数、二次侧开路等多个方面进行对比研究，形成低阶补偿网络和高阶补偿网络，分别包括SS、SP、PS、PP和LCC-S、双边LCC等S-S型：发射端与接收端均为串联

S-P型：发射端与接收端均为串联

第1章

绪论7无线电能传输耦合机构及抗偏移技术研究系统耦合机构是无线电能传输系统的核心部分，由发射机构、接收机构、屏蔽机构等组成，通过对线圈参数及拓扑结构的优化设计实现对磁场的“塑形”，旨在能量传输通道构造均匀的电磁场，以此保证在一定范围内收发机构有效磁通相对稳定，达到能量传输恒定的目的目前已经形成圆形、方形、螺线形等单线圈结构，DD型、DDQ型、BP型、TP型、田字型、太极型、以及多层线圈结构的多线圈抗偏移耦合结构，以及将补偿网络与耦合机构进行集成的复合耦合机构等

无线电能传输系统模型三极型平面线圈DD线圈结构BP线圈结构倾斜环路型线圈结构第1章

绪论8无线电能传输中电力电子驱动与控制研究在无线电能传输系统运行中，谐振线圈、负载以及电路元件等不可避免地受到外部环境的影响，而线圈相对位置的改变以及元件参数的微小变化都会对系统耦合系数和网络匹配造成较大影响，导致系统无法保持在恒定工作状态，接收电压、传输效率等都会产生波动目前，无线电能传输变换器系统常规控制策略有移相控制、幅值控制、变频控制，常规的功率控制方法有接收侧级联DC/DC变换器功率控制方法和接收侧采用有源整流器的功率控制方法以及最大效率的跟踪控制技术无线充电系统移相控制

无线充电系统调幅控制第1章

绪论9电场及磁电混合传输研究电场耦合式无线电能传输技术利用金属板以电场为媒介实现电能传输目前已经形成了八种基本结构，包括两极板结构、水平结构、平行柱式结构、垂直结构、六极板结构、含有中继极板对的结构、阵列式结构以及磁场耦合机构与电场耦合机构组成混合结构两极板四极板（水平）平行柱式四极板（垂直）六极板含中继极板对阵列式混合结构第1章

绪论10动态无线电能传输及互操作性研究关于动态无线电能传输技术，目前最大功率达到几百千瓦，最小传输波动低于2%，最大效率在93%以上。但是由于该技术上依然存在效率、漏磁、输出稳定性等问题，因此目前大多停留在实验室或示范工程项目中随着无线电能技术的发展，必然存在多厂家、多型号、多技术路线共存的局面，在功率等级、传输距离、线圈类型、补偿结构、控制方式、封装工艺、通信等方面存在明显差异，因此如何能实现不同厂家、不同型号下地面端与车载端之间的互操作性，成为电动汽车无线充电技术发展与推广的关键静态无线充电动态无线充电典型电动汽车静态无线充电系统结构第1章

绪论11全向无线电能传输技术研究现有的无线充电设备虽然避免了使用充电线缆，但用电设备必须放置在规定的位置才能实现无线电能传输。全向无线电能传输技术可以较好地满足上述设备的用电需求，它具有全方向、范围广、自由度高的特点这项技术较好地弥补了现有无线电能传输技术传输角度单一、传输范围较短和抗偏移能力弱等不足之处，同时也是无线电能传输技术未来发展的重要方向之一全向无线电能传输发射线圈结构足球型三线圈正交型第1章

绪论12无线电能传输技术电磁安全及磁屏蔽技术研究无线电能传输技术作为一种新型的传能方式，其电磁安全研究尚处于起步阶段，目前其研究集中于热效应，重点计算生物体内组织和器官在电磁暴露中的感应电流、SAR和温升，衡量指标相对单一。这导致在评估其生物安全性时，缺乏合理、更加科学精准的评价指标和标准。目前的研究无法真实模拟生物体在电磁场中的暴露状况。缺乏系统的、优化的真实生物实验，使得研究结果可能存在一定的偏差。真实的生物实验能够更准确地反映无线电能传输对生物体的影响，但目前这方面的研究还相对不足。下图为不同位置体内外电压对比。第1章

绪论13近场无线电能传输技术不断完善，在各行各业具有很高的应用潜力：以电动汽车为代表载运装备无线充电及智能无人值守类装备高功率密度动/静态非接触充电场景以智能手机、植入性医疗设备为代表的低功耗