電能無線傳輸應用方案

姚曉平

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院 南京工程分院，南京 211135）

0 引言

傳統(tǒng)電能的傳輸主要是利用金屬導線直接接觸來進行的，這給我們帶來了許多的不便。而無線電能傳輸就不同了，電能從發(fā)射端到接收端無接觸，提高了用電設備獲得電能的靈活性。目前常用的無線電能傳輸方式有三類即電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式，但離商品化還有距離。本文介紹設計關鍵技術和典型應用方案。

1 電磁感應方式電能傳輸

1.1 電磁感應式電能傳輸系統(tǒng)

電磁感應式電能傳輸系統(tǒng)主要由三大部分組成，即能量發(fā)送部分（Transmitter）、分離式變壓器(Transformer)和能量接收部分(Receiver)。系統(tǒng)的工作原理，輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓變?yōu)橹绷麟?，之后通過高頻逆變器進行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級線圈，與次級線圈耦合，從而產(chǎn)生感應電動勢，再通過高頻整流濾波后為負載供電。

圖1 電磁感應無線電能傳輸示意圖

1.2 電磁感應式電能傳輸技術

電磁感應方式電能傳輸，主要用于醫(yī)療儀器；手機、電腦等便攜式個人電子產(chǎn)品的無接觸式供電；用于電動車輛非接觸供電等。目前國內(nèi)產(chǎn)品有名帥公司、海爾的無尾電視等；國外有Splash Pads、Power cast、Duracell等公司的產(chǎn)品。

1）關鍵技術之一是發(fā)射、接收線圈的形狀、安裝位置和參數(shù)的設計。要盡量保證接收線圈能夠與發(fā)射線圈磁路耦合系數(shù)最大化。

2）關鍵技術之二是傳輸電路的設計。分離式變壓器又稱松耦合變壓器，其中，初級與次級線圈間存有較大的空氣間隙，因此其耦合系數(shù)較小，有較大的漏磁，故電壓增益降，傳輸效率低。

為了提高傳輸效率，必須向變壓器的初級線圈中注入高頻交變電流，以提高變壓器的功率密度。為此，我們經(jīng)常采用AC－DC－AC電路，即先對交流電源進行整流濾波獲得直流電能，再對獲得的直流電進行高頻逆變，再將高頻交變電流輸入到變壓器的初級線圈。

由于發(fā)射電流的調(diào)制頻率越低線圈上的熱損耗越大。所以無接觸感應耦合電能傳輸系統(tǒng)要求工作在較高的頻率，根據(jù)應用場合的不同, 采用的調(diào)制頻率范圍一般在10kHz 500 kHz之間。具體涉及到有諧振軟開關技術、PWM硬開關逆變技術、移相全橋逆變器和功率因數(shù)校正等技術。

由于初級線圈和次級線圈在漏感上產(chǎn)生了較大的電壓降，導致傳輸系統(tǒng)電壓增益下降，增大了輸入電流與電壓之間的相位差。因此要對變壓器的初級與次級線圈的漏電感進行電容補償，常用的補償方式有靜態(tài)電容補償及動態(tài)諧振補償。

1.3 典型的電磁感應式電能傳輸系統(tǒng)

圖2所示為J. T. Boys提出的無接觸感應耦合電能傳輸系統(tǒng)電路原理圖[1]。系統(tǒng)采用電流型推挽諧振變換器作為高頻逆變器，交流電經(jīng)過整流濾波后得到直流電，電感L1與電壓源串聯(lián)聯(lián)接，電感L2、L3所構成的分相變壓器與功率開關管Q2、Q3 一起構成電流型推挽變換器，補償電容C2 與變壓器初級線圈L4構成諧振槽，在工作過程中，直流電與電感L1構成恒流源，之后進入推挽諧振逆變器進行高頻逆變，往諧振槽中注入高頻交變電流。在特定的頻率下，原邊發(fā)射線圈與補償電容發(fā)生諧振，從而在原邊線圈中獲得近似的正弦交變電流，該電流在原邊線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場，次級線圈通過與初級線圈的互感來獲取感生電動勢，通過副邊補償電容C3對獲取的感應電能進行一定的感抗補償可以增強負載獲取電功率的性能，感應電能經(jīng)過整流濾波之后即可向用電設備供應電能。

圖2 典型的無接觸電磁感應式推挽諧振電能傳輸電路原理圖

2 電磁共振方式電能傳輸

2.1 電磁共振式電能傳輸系統(tǒng)

磁共振傳送方式由美國麻省理工學院于2007年研制成功，主要是利用物理學的“共振”原理，兩個振動頻率相同的物體能高效傳輸能量。當電源發(fā)送端的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端產(chǎn)生共振，實現(xiàn)能量的無線傳輸。

2.2 電磁共振式電能傳輸技術

在這項技術中，發(fā)送端和接收端的線圈被調(diào)校成了一個磁共振系統(tǒng)，通電后能夠以固定的頻率振動。能量傳輸不受空間障礙物影響，與電磁感應方式比較傳輸距離遠，傳輸效率較高。由此可以知道傳輸效率與發(fā)送、接收能量單元的直徑相關，傳送面積越大，傳輸效率越高；傳輸效果與振動頻率有關。

2.3 典型的電磁共振式電能傳輸系統(tǒng)[8]

下圖是一款電磁共振式筆記本電腦無線電能傳輸系統(tǒng)，是利用明天科技公司生產(chǎn)的芯片VOX330MP05S和VOX20K3A做的無線供電系統(tǒng)。

圖3中C4、T1和C3組成濾波網(wǎng)絡，串聯(lián)于電網(wǎng)與發(fā)射電路之間，作用是吸收發(fā)射電路中的諧波反饋到電網(wǎng)上，也可以防止電網(wǎng)上的浪涌電壓對發(fā)射電路的影響。四個二極管和C2為整流、濾波電路，直接將220V的市交流電整流得到一個約300V的直流電壓，這個電壓經(jīng)L1和C1組成的并聯(lián)諧振回路加到VOX330MP05S的輸出端，DC為一個12V/100mA的電源轉換模塊，為IC1提供工作電壓。

圖3 電磁共振式無線電能傳輸發(fā)射電路

VOX20K3A是一塊五腳厚膜封裝電路，內(nèi)部集中了電磁共振所需要的相位檢測、電壓檢測、電流檢測、功率校正等功能，VOX20K3A需要提供一個5V的工作電壓，工作電流約30mA，可由LM78L05提供，2腳上的硅穩(wěn)壓管決定了整個電源的輸出電壓，關系為：Vout = DW + 1.2V ，因此，不同的穩(wěn)壓管將得到不同的輸出電壓，但穩(wěn)壓管必須在9～24V之間選擇。

圖4中A1和A2分別為補償輸入和輸出端，C1為輸入電容，L1和L2為兩個串聯(lián)的接收線圈，也可以用一個線圈代替，VD1和VD2為整流管，L3、L4及C4～C9為濾波電路，用于減少紋波，穩(wěn)定電壓。

圖4 電磁共振式無線電能傳輸接收電路

3 電磁輻射方式電能傳輸

該方式主要采用微波進行電能傳輸。微波的波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波。由于頻率較高，能順利通過電離層而不反射。微波輸電利用電磁輻射原理，由電源送出電力，通過微波轉換器將交流電變換成微波，再通過發(fā)射站的微波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛嫖⒉ń邮照荆邮盏降奈⒉ㄍㄟ^轉換器將微波變換成交流電，供用戶使用。其有效傳輸距離為幾千米，屬于遠程傳輸。電磁輻射方式電能傳輸主要有無線電波、微波、激光和超聲波等方式。

3.1 無線電波方式電能傳輸

原理類似于礦石收音機，主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載做出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。

圖6 微波方式無線電能傳輸示意圖

圖5 無線電波式無線電能傳輸示意圖

目前電波接收型的最大發(fā)送距離約10m, 但是由于磁通向空間全方位輻射，能夠接收的功率很小，只有幾毫瓦至100毫瓦。其主要用途是在便攜式終端中提供待機時消耗的功率。

3.2 微波方式電能傳輸

微波方式電能傳輸，主要應用在太陽能衛(wèi)星發(fā)電站。該系統(tǒng)主要由四部分組成，第一部分是將太陽能、風能和交流電等轉變成直流電，第二部分是將直流電變成微波，即微波功率發(fā)生器，第三部分是發(fā)射天線，它將微波能量以聚焦的方式高效地發(fā)射出去，第四部分是通過高效的接收整流天線將微波能量轉換成直流或工業(yè)用電。

先通過磁控管將電能轉變?yōu)槲⒉苄问剑儆砂l(fā)射天線將微波束送出，接收天線接收后由整流設備將微波能量轉換為電能。微波方式電能傳輸距離遠。在大氣中能量傳遞損耗很小，能量傳輸不受地球引力的影響，但容易對通信造成干擾、能量散射損耗大，定向性差，傳輸效率低。

目前三菱重工開發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共四十八個硅整流二極管作為接收天線，每個硅整流二極管可產(chǎn)生20V的電壓，可將電壓提升至充電所需的指標并可實現(xiàn)1kW的功率輸出。

3.3 超聲波方式供電

超聲波可通過壓電材料的逆壓電效應方便的轉化成電能?；趬弘姴牧系某暡o線電能傳輸系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7中，發(fā)射模塊包括主電路（包含匹配電路、整流電路和逆變電路）和控制電路，匹配電路起阻抗變換，提高電路輸出功率和效率的作用；整流和逆變電路則可將交流電轉化成其他頻率的電流；控制電路通過閉環(huán)反饋，控制主電路功率管的開關頻率，實現(xiàn)主電路與壓電換能器的機電共振。接收模塊的壓電換能器通過接收超聲波，經(jīng)逆壓電效應得到的高頻交流電，再經(jīng)整流后就可供給用電設備使用。

圖7 超聲波式的無線電能傳輸系統(tǒng)

圖8 William C.Brown 微波傳輸電能原理圖

3.4 典型的電磁輻射式電能傳輸系統(tǒng)

該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線三部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制微波源在2.45GHz頻段輸出5～200W的功率；微波源輸出的能量通過同軸電纜連接至和波導管之間的適配器上；環(huán)型波導管的作用，使波導管和發(fā)射天線匹配。發(fā)射天線包含八個部分,每個部分上都有八個縫隙。這六十四個縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開槽波導天線很適合用于無線電能傳輸，因為它有高達95%的孔徑效率和很高的能量捕捉能力。整流天線用來收集微波并把它轉換成直流電。

4 結束語

電能無線傳輸技術具有無線連接、安全、可動態(tài)持續(xù)供電等優(yōu)點，尤其在特殊和惡劣環(huán)境，如給移動設備供電；高壓、易燃、易爆；水下等應用廣泛，尤其是對太空中取之不盡的太陽能的開發(fā)利用。無線傳輸技術的利用必將對人類傳輸電能、使用電能、對生產(chǎn)與生活產(chǎn)生重大影響。

[1] Boys J, Hu A, Covic G. Critical Q analysis of a current-fed resonant converter for ICPT applications[J]. Electronics Letters, 2000, 36(17): 1440-1442.

[2] 武瑛, 等. 新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J]. 中國電機工程學報, 2004, 24(05): 4-7.

[3] 毛賽君. 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 南京航空航天大學, 2006.

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[5] 王秩雄, 等. 無線輸電技術的應用前景[J]. 空軍工程大學學報(自然科學版), 2003, 4(1).

[6] 柏楊, 等. 基于超聲波的無線電能傳輸?shù)难芯縖J]. 壓電與聲光, 2011, 33(2).

[7] 林寧. 無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設計研究[D]. 浙江大學,2011.

[8] 筆記本電腦無線電源的DIY制作. http://ee.ofweek.com/2010-12/ART-8300-2802-28434874_2.html.