【《无线充电系统的理论基础综述》6600字】

无线充电系统的理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u29787无线充电系统的理论基础综述 1227061.1研究背景 175121.2无线电能传输的方式 2322161.1.1电磁感应耦合式无线电能传输 217141.1.2辐射式无线电能传输 330761.1.3磁耦合谐振式无线电能传输 3326711.3国内外研究现状 4124221.3.1国外研究现状 4305551.3.2国内研究现状 6246231.4磁耦合谐振式无线电能传输基本理论分析 8204571.4.1三大建模方法 870451.4.2关键技术 11235591.4.3工作原理 1254911.4.4电池分类 1324391.4.5电池充电方案 149401.5小结 161.1研究背景电动自行车速度快，便捷，已成为很多人出行的常用选择之一，随着电动自行车的使用数量的增加，为了合理规划城市建设，相关人员开始注重智能充电系统的设计。目前市场上大部分充电桩都需要自带充电插口，更甚有人私拉电线作为他用，导致无法及时满足真正需要充电的电动车车主的需求。而且有线充电插头在多次插拔的过程中极易发出电火花，甚至会有电流伤害到人的身体，不仅影响插头的寿命，还会危及使用者人生安全。无线电能传输技术，由于充电设备和用电设备直接相连，无需其他连接线，很好的避免了插口老化，私拉电线，频繁插拔插头引起的火灾和触电危险。凭借安全性好、可靠性高、适应性强、操作方便等特点，无线电能传输技术迅速受到各界关注。目前，无线电能传输目前仍存在一些问题，首先是效率不高，在实际应用中难以做到点对点的能量传输，这就导致在传输过程中会有些许损耗；其次，该技术存在电磁辐射等的安全问题，由于不借助连接线进行传输，能量不便于控制，且传送功率比无线通讯要大得多，这就导致能量密度增大，对人体健康和安全难免会有一定的影响。本系统采用磁耦合谐振式无线电能传输，显著的特点是具有比较好的方向性，工作时电能传输的比较快，辐射小，很好的解决了无线电能传输的常见问题。传输过程中，电磁场随传输距离的增加会变弱，当发射端与接收端的回路处于共振时，大部分能量会聚集到接收端。1.2无线电能传输的方式无线充电技术源自于无线能量传输技术，基本原理为利用电与磁之间相互感应的技术，在充电设备与用电设备之间通过磁场进行能量的传递，不需要使用其他的连接线。依据传输原理分为三类，分别是电磁感应式、磁耦合谐振式和辐射式无线充电技术[[]李小磊,秦会斌.磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究[J].通信电源技术,2018,35(09):7-9+13.[]李小磊,秦会斌.磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究[J].通信电源技术,2018,35(09):7-9+13.无线电能传输的三种方式如图2-1所示：图2-1无线电能传输的三种方式1.1.1电磁感应耦合式无线电能传输该技术主要利用电与磁感应原理，是基于近场的传输。该系统由三部分组成，分别是电能的发送、分压式的变压器以及由负载构成的接收等相关部分。传输系统框图如图2-2[[]刘婉.基于磁耦合谐振无线电能传输谐振器阵列的研究[D].江西[]刘婉.基于磁耦合谐振无线电能传输谐振器阵列的研究[D].江西:南昌大学,2015.图2-2电磁感应式无线电能传输系统框图电磁感应耦合式无线电能传输的方式存在的问题是其传输距离近，能量损耗会随距离的增大而增大，实际应用中容易产生涡流效应。这种无线电能传输方式适用于个人移动设备的无线充电，例如手机、蓝牙耳机、蓝牙鼠标等。1.1.2辐射式无线电能传输该技术主要利用电磁波的知识，是基于远场的传输。发射侧的天线发射电能，接收侧的天线接收电磁波，通过电路分析等的处理，达到传输电能的目的。这种无线电能传输方式的不足是传输功率小，充电速度慢，能量损耗大，该技术对生物体有辐射，传输损耗很大。该技术要求发送天线与接收天线必须对准，且在传输过程中没有障碍物造成干扰。辐射无线电可以通过无线电波、微波式、激光式或超声波式发射[[]沈悦.基于无线供能的胃肠道微型机器人诊查系统研究[D].上海:上海交通大学[]沈悦.基于无线供能的胃肠道微型机器人诊查系统研究[D].上海:上海交通大学,2017.辐射天线辐射天线辐射天线辐射天线辐射天线辐射天线接收天线负载微波发射端微波接收端微波电源微波产生器整流电路图2-3微波辐射式无线电能传输系统结构图1.1.3磁耦合谐振式无线电能传输该技术主要利用磁耦合谐振的原理，使得发射线圈和接收线圈同时发生谐振，从而实现中短距离的能量传送。该种方式的优点是传输过程可以直接屏蔽非金属障碍物，直接穿透继续传输，传输距离可以达到几米，效率高。具体传输过程如图2-4所示：图2-4磁耦合谐振式无线电能传输系统结构图该技术基于近场强耦合及谐振技术，其传输距离适中、传输功率大、横向偏移错位适应性强，深受电动自行车、电动汽车相关企业的喜爱。本电动自行车智能充电系统采用该技术进行设计。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状无线电能传输技术最早出现是在十九世纪后期，非常有名的研究电气方面的学者尼古拉·特斯拉提出并做了大量的相关研究，他不断实验，努力验证，希望可以将无线传输延拓到远距离的应用场景中，但限于早期技术，资金的匮乏，该技术只是停留在一个想象的阶段[[]Tesla,N.ApparatusforTransmittingElectricalEnergy.USPatentNo.1119732,1914.[]Tesla,N.ApparatusforTransmittingElectricalEnergy.USPatentNo.1119732,1914.20世纪初期，日本科学家H.Yagi等人研制出不借助连接线就可以进行电能运送的定向天线[[14]YagiH，UdaS．Feasibilityofelectricpowertransm—issionbyradiowaves[C]．The3rdPan—PacificAcademicConference，Tokyo，Japan，1926．]，可以将能量通过微波向外发送，经过大批实验论证与研制，雷声公司的布朗等人提出了半导体二极管整流天线[[]BrownWC．Thermionicdioderectifier[J]．Micro—wavePowerEngineering，1968，1：295·298．、[[14]YagiH，UdaS．Feasibilityofelectricpowertransm—issionbyradiowaves[C]．The3rdPan—PacificAcademicConference，Tokyo，Japan，1926．[]BrownWC．Thermionicdioderectifier[J]．Micro—wavePowerEngineering，1968，1：295·298．[]BrownWC．Thecombinationreceivingantennaandrectifier[J]．MicrowavePowerEngineering，1968，2：273—275．1980年代出现了电磁感应耦合的无线充电模式。新西兰奥克兰大学的波依斯教授等人对电感无线电力传输技术的拓扑转换、传输机构和耦合优化进行了很多研究，并取得了显著的成果[[]BoysJT，CovicGA．Pick—uptransformerforICPTapplications[C].ElectronicsLetters．2002：1276—1278．]。由于该技术对磁路有着很严格的标准规范，传送距离通常不是很远。因此，该技术很难在所需功率比较大的场合中投入生产。[]BoysJT，CovicGA．Pick—uptransformerforICPTapplications[C].ElectronicsLetters．2002：1276—1278．2007年，麻省理工大学的马林·索尔贾希克和他的研究团队使发射线圈和接收线圈在特定情况下发生谐振，成功在1.9m外使六十瓦的灯泡发光[[]KursA，KaralisA，MoffattR，eta1．Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J]．Science，2007，317(5834)：83·86．]。这就是磁耦合谐振式无线电能传输的开始，成功解决了之前的技术在传输距离短的缺陷，传输距离突破了“米”的限制；同时可以在工作时，最大程度上使得环境免受能量辐射带来的影响。自此，研究人员对这种全新的方式进行了大量实验分析与研究，并取得了显著的成果。[]KursA，KaralisA，MoffattR，eta1．Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J]．Science，2007，317(5834)：83·86．2010年CES会议上，海尔宣布制造了“无尾电视”，并开始开发智能消费电子产品的无线传输技术。2011年，AlansonPSample等人研究出了一种深层次的谐振耦合系统的简单等效电路模型，提出了频率、距离和阻抗匹配是决定无线电能传输性能的关键指标。成功的通过谐振线圈隔空在0.7m外的笔记本电脑进行了无线充电[[]刘婉.基于磁耦合谐振无线电能传输谐振器阵列的研究[D].江西:[]刘婉.基于磁耦合谐振无线电能传输谐振器阵列的研究[D].江西:南昌大学,2015.图2-5笔记本无线充电2013年，新西兰的奥克兰大学的一批研究学者提出了全新的耦合器拓扑结构。其描述的是，在保证传输远近不改变、线圈的匝数不改变的前提下，这种全新的结构可以产生更大的耦合系数，而且耦合系数的增大也不止局限于增大耦合器的半径[[]BudhiaM,BoysJT,CovicGA,etal.Developmentofasingle-sidedfluxmagneticcouplerforelectricvehicleIPTchargingsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.][]BudhiaM,BoysJT,CovicGA,etal.Developmentofasingle-sidedfluxmagneticcouplerforelectricvehicleIPTchargingsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.图2-6改进型耦合器拓扑结构2015年，韩国科学技术院在韩国南部建设了长达12千米的电动汽车动态电源供应区[[]杨旭.串并补偿磁耦合谐振式无线电能传输系统的分析与设计[D].广东:华南理工大学,2018.][]杨旭.串并补偿磁耦合谐振式无线电能传输系统的分析与设计[D].广东:华南理工大学,2018.2016年，中惠创智公司将无线电能传输技术用于监控矿井下的工作情况[[]王文哲.磁耦合谐振无线电能传输串并式系统频率特性研究[D].陕西:[]王文哲.磁耦合谐振无线电能传输串并式系统频率特性研究[D].陕西:西安理工大学,20171.3.2国内研究现状我国对无线传输技术的研究从本世纪才开始，主要是磁耦合的谐振式无线电传输技术和电感式非接触的无线传输技术的研究。经过多年的努力，我国的无线传输技术有了一定的发展，2002年，重庆大学开始研究非接触电力传输的基础理论和工程应用，成功开发了电动汽车无线供电系统[[]孙跃，王智慧，戴欣，等．非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J]．电工技术学报，2005(11)：56—59.、[]孙跃，祝兵权，戴欣．CPT系统输出电压主动控制技术[J]．电源技术，2011(1)：76-78．[]孙跃，王智慧，戴欣，等．非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J]．电工技术学报，2005(11)：56—59.[]孙跃，祝兵权，戴欣．CPT系统输出电压主动控制技术[J]．电源技术，2011(1)：76-78．2006年，东南大学提出了电场耦合光学电机技术、磁耦合谐振无线电力传输系统的电力调整技术、电动汽车的无线充放电和输电网络的相互作用技术，促进了中国非接触能源传输技术的持续发展[[]黄辉，黄学良，谭林林，等．基于磁场共振的无线电力传输发射及接收装置的研究[J]．电工电能新技术，2011，30(1)：32-35．]。[]黄辉，黄学良，谭林林，等．基于磁场共振的无线电力传输发射及接收装置的研究[J]．电工电能新技术，2011，30(1)：32-35．2011年10月，在天津举办了国内第一次“无线电能传输技术”专题研讨会，相关专家们就目前的现状、发展、存在的问题进行了严肃而深刻的探讨，并达成了“天津共识”，“无线电能传输”这个专有名词正式出现在人们视野。本次会议对于我国相关技术的继续发展与广泛普及有深远的影响[[]新观点新学说学术沙龙.无线电能传输关键技术问题与应用前景[M].北京:中国科学技术出版社,201[]新观点新学说学术沙龙.无线电能传输关键技术问题与应用前景[M].北京:中国科学技术出版社,2011.2012年，重庆大学的孙跃及其实验室成员共同研制出了一款有着600瓦到1000瓦稳定输出功率的不需要连接线就可以进行电能传送的装置。样机如图2-7所示：图2-7重庆大学研制的无线充电车样机2012年，河北工业大学杨庆新及其团队构建了一种T型等效模型，可以通过推导计算二端口网络的转移参数得出系统的最佳频率及其变化规律。杨庆新带领团队制作了一个功率放大器，成功的实现了两米外点亮一盏一百二十瓦的电灯泡，六十米外点亮一盏三百七十五瓦的电灯泡[[]李阳.大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究[D].河北:[]李阳.大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究[D].河北:河北工业大学,2011.图2-8杨庆新及其团队合照图2-9杨庆新团队点亮灯泡实验2014年，哈尔滨工业大学的朱春波团队提出了一种使用多个线圈的磁耦合的谐振式方案，解决了交叉耦合的问题。2014年，中兴公司无线充电的技术延拓到了大功率的机器，如电动汽车等，最高功率可达30KW。2016年，湖北工业大学的相关研究室在传输距离方面做了更加深层次的研究分析，得出了结论：随着线圈半径增大，电导率也会增大，随着系统的处于谐振状态时的频率增大，电能也会传输的越来越远[[]刘凌云.磁耦合谐振式无线电能传输距离特性[J].河南科技大学学报(自然科学版),2016,37(2):43-46.[]刘凌云.磁耦合谐振式无线电能传输距离特性[J].河南科技大学学报(自然科学版),2016,37(2):43-46.图2-10不同半径不同线径的谐振线圈2019年，小米推出了一款无线充电宝，适应于各种场景的20W无线充电，值得一提的是，该充电宝可以实现无线车充，并且三台装置可以在同一个时间段一起充电[[]王杰.电动自行车无线充电系统的研究与实施[D].湖北:武汉大学,2020.][]王杰.电动自行车无线充电系统的研究与实施[D].湖北:武汉大学,2020.1.4磁耦合谐振式无线电能传输基本理论分析1.4.1三大建模方法耦合模理论建模法该理论是以会产生轻微扰动的分量为研究对象的物理场的耦合理论[[]刘凌云.磁耦合谐振式无线电能传输距离特性[J].河南科技大学学报(自然科学版),2016,37(2):43-46.、[]张献,杨庆新,陈海燕等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(9):167-171.[]刘凌云.磁耦合谐振式无线电能传输距离特性[J].河南科技大学学报(自然科学版),2016,37(2):43-46.[]张献,杨庆新,陈海燕等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(9):167-171.[]LiH,WangK,HuangL,etal.Dynamicmodelingbasedoncoupledmodesforwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6245-6253.在本系统中，我们将发射端的线圈和接收端的线圈看作是两个互相有小小影响的部分，在通过磁场耦合谐振传递能量时，可以不去考虑系统本身，只研究能量的流动。在这种情况下，可以很好的去除其他无关因素，提高系统研究的准确性[[]黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报,2013,28(010):1-11.][]黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报,2013,28(010):1-11.在考虑线圈、负载损耗时，系统运动模式方程[[]KARALISA,JOANNOPOULOSJD,SOLJACICM.Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer[J].AnnalsofPhysics,2008,323(1):34-48.]如式(1.1)：[]KARALISA,JOANNOPOULOSJD,SOLJACICM.Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer[J].AnnalsofPhysics,2008,323(1):34-48.da1t表2-1公式（1.1）中各字母含义利用上式，可以得到系统工作时的谐振频率，每一个线圈的模式分量以及能量等，同时通过公式推导计算也能够求出传输效率、接收功率等。研究表明，两谐振器间的耦合系数与传输的距离长短息息相关，可以通过使两个谐振器的谐振的频率与激励信号的频率相同的方法，达到能量在谐振器间快速有效的传送的目的。耦合模理论建模方法的优点是清晰明了的展现能量的流动，但涉及到具体参数的设计和获取，进行调整和观察都不是很直观。二端口网络建模法二端口网络法是将电路的一部分或是整体看作是一个黑匣子，只考虑该网络的输入输出及其特性，用以描述该系统的功能，不考虑其内部组成。其动力学方程如式(1.2)：V2=A×V系统的二端口模型如图2-11所示：图2-11系统二端口模型这种方法经常用于感应式和磁耦合式的设计中。二端口网络建模法适用于参数确定系统设计，存在的问题是同样不能对系统的具体参数进行获取与设计。电路理论建模法电路理论建模方法基于互感理论。原理图如图2-12[[]ZHANGJ,YUANX,WANGC,etal.Comparativeanalysisoftwo-coilandthree-coilstructuresforwirelesspowertransfer[J].IEEETransonPowerElectronics,2017,32(1):341-351.[]ZHANGJ,YUANX,WANGC,etal.Comparativeanalysisoftwo-coilandthree-coilstructuresforwirelesspowertransfer[J].IEEETransonPowerElectronics,2017,32(1):341-351.图2-12磁耦合谐振式无线电能传输系统基本电路模型US=R1+jω表2-2公式（1.3）中各字母含义由式(1.3)可以求得流过RL的电流以及US回路的电流，进一步求得系统的传输效率，负载的接收效率等特性。该方法不仅可以应用于磁耦合谐振式方案设计中，同样适用于感应式的设计，虽然应用广泛，但是当发射线圈和接收线圈分布位置不确定时，求解计算复杂。1.4.2关键技术高频谐振逆变技术逆变器是磁耦合谐振式无线充电系统设计的关键所在，它的作用是将直流电转变为促使线圈工作的高频率的交流电。自八十年代起，大功率半导体开关器件开始蓬勃发展，谐振开关技术可以使得相关器件的损失降到最低[[]杨唐纯.无线感应充电模块的研制[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2009.DOI:10.7666/d.D265490.][]杨唐纯.无线感应充电模块的研制[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2009.DOI:10.7666/d.D265490.逆变分为全桥逆变和半桥逆变，全桥的工作原理是4个驱动管相继工作在正弦波的1/2Π区间，而另一个是2个交替工作。相较于半桥形式的逆变器，全桥形式的逆变器的开始工作时的电流缩小了一半，更适用于大功率器件的情况。在全桥形式的逆变器中，为实现输入与输出间的电气相隔，获取适当的电压输出幅度，通常会选择在输出端口装一个交流式的变压器。频率跟踪和控制技术磁耦合的谐振式的无线电能传输系统的工作的频率通常都比较高，在KHz到MHz的范围内，所以频率对于系统的传输性能影响较大。本系统利用了频率追踪技术，使电源的输出频率等于谐振器的频率，以此达到优良的传输性能。该技术通过检测高频逆变电源处的电压与电流，对工作频率进行适时调整，确保电路处于谐振状态[[32]黄学良,王维,谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化,2017,41(002):2-14,141.]。[32]黄学良,王维,谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化,2017,41(002):2-14,141.该技术就是通过捕捉发射端或是接收端的谐振器的电流频率，从而决定电源的输出频率的大小。一般形式的频率跟踪为封闭环路形式的电路，利用锁相环可以直接获取相关信号的工作时的频率，传送给高频逆变模块的动力单元中，进而进行频率跟踪。如果谐振器自己的谐振的频率改变时，需要在发射谐振端加一个电容阵列用于调整谐振频率。1.4.3工作原理这个设计的要点是使发送电路和接收电路产生共振。发送器的电容和电感并联形成谐振发射电路，辐射非辐射交流磁场。接收端使用相同的电容和电感形成共振接收电路。当交变磁场的频率等于接收电路的频率时，系统谐振。两个线圈产生磁场耦合共振，产生高频交流磁场。接收线圈从磁场接收能量，产生感应电流，达到非接触能量传输的目的。当两个线圈处于耦合谐振状态时，回路存在最大电压和最大输出功率，系统整体的能量传输效率最高。谐振的频率由电感和电容的值决定：f=1/(2πLC)。磁耦合谐振无线电能传输系统的一般组成如图2-13所示：电容电容电容电容直流直流高频电流高频电流直流电源高频激磁电路负载电路高频整流发送线圈接收线圈驱动装置磁耦合谐振部分能量接收反馈及控制部分耦合磁场图2-13磁耦合谐振无线电能传输系统的一般组成磁耦合谐振无线电能传输装置主要包括：磁耦合谐振部分主要由发送线圈、接收线圈以及电容组成，他们构成了谐振体。发送线圈和接收线圈式电磁的耦合媒介，通过耦合可以将能量传递出去。发射线圈增加反馈装置，用于捕获其工作，经过特定操作之后得到与发射线圈频率同样的信号，利用该信号去操控全桥，实现自激。磁场驱动源主要由电源和高频激磁电路构成。磁耦合谐振的频率约为300khz-30mhz，是电磁场的中高频部分。驱动电路放大控制信号，促使全桥逆变，获得高频交流电，最终使得两线圈产生谐振磁场，从而实现无线功率传送的目的。能量接收和负载电路采用无线电力传输方式时，通常工作在高频环境中，需要对高频电流进行特定变换，之后再传递给负载。当连接负载时，谐振部分会产生对传输有一定干扰的耦合效应1.4.4电池分类目前，我国电动自行车主要使用蓄电池供能，常用蓄电池分为三类：铅酸电池、镍氢/镉电池、锂离子电池。表2-1为三种常见蓄电池的性能比较[[]胡桂华.锂电动自行车电池管理系统的设计[D].浙江:杭州电子科技大学,[]胡桂华.锂电动自行车电池管理系统的设计[D].浙江:杭州电子科技大学,2013.表2-3常见蓄电池的性能比较由