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1、非接触电能传输系统综述非接触电能传输系统综述摘要：摘要：电能的当今最主要的能源之一，近年来兴起的非接触电能传输供电技术解决了传统接触式供电的一些弊端。本文介绍了非接触电能传输的技术背景和国内外的研究现状，对比了三种非接触电能传输方法。然后着重介绍目前研究较为深入的感应耦合电能传输（Inductive Power Transfer, IPT)在手机和电动汽车充电领域的最新研究成果和实际应用。最后，文章总结了非接触电能传输的研究意义和发展前景。关键词：关键词：非接触电能传输，感应耦合，非接触供电A Perspective of Wireless Power TransferAbstract：lec
2、trical power is one of the most important power forms nowadays. Recently, wireless power supply technique solved many disadvantages arousing in conventional form of power transfer. The paper introduces the technique background and the achievement of the research in and aboard, and compares three kin
3、ds of method to enable wireless power transfer. And then, the paper emphasizes the practical application of Inductive Power Transfer (IPT) in the wireless charging of mobile phone and electrical vehicle. Finally, the paper draws a conclusion of the vista of wireless power transfer.Keywords: Wireless
4、 Power Transfer, inductively coupled, contactless power supply1 引言引言电能是传统石化燃料的主要替代能源，并且在实际应用中电能也是最好的取代和应用的清洁能源之一。但是电池在目前的技术水平下有两个个问题无法解决：一是充电时间长；二是续航时间短。各行业寄希望于电池行业能够早日实现技术突破，解决掉这两个技术难题。然而，电池技术在短时间之内是很难有质的飞跃，所以各用电企业需要寻找一种现实的解决方案，其中非接触充电和供电是其中一个重要的研究方向。为了使移动电子终端及电动汽车用户摆脱使用充电器充电、更换电池以及接插家电设备电源线等麻烦。利用无
5、线方式将电能传输到所用产品的技术即将进入实际应用阶段。其中，非接触式充电，是一种只要将电子产品放在充电台上就能充电的技术。实现非接触充电的技术主要有三种形式：1、感应耦合型；2、无线电接收型；3、共振型。目前，感应耦合技术已经在部分领域中得到应用，包括电动剃须刀、电动牙刷、净水器和无线电话等。由于这种技术在增大功率等方面不断取得进展，已经应用到手机等出货量非常大的电子终端中。近几年，随着人们对清洁能源和电动汽车的需求越来越大，国内外的大学和研究机构纷纷开始着手研究电动汽车方便、快捷、高效充电的方法，已取得一定的成果。另外，共振型非接触电能传输能够实现远距离、大功率的电能传输，可以应用于电子终端
6、、电动机车、水下、地下等用电设备的充电和供电，但是目前还停留在研究阶段。传统供电技术是用电设备通过电缆、插头等直接从电源获取电能的供电模式，这种技术也是目前整个电能领域普遍采用的一种方式。随着电力半导体器件和电子技术的发展及控制技术的进步，已经实现了“高效率用电和高品质用电”的目标，传统供电技术也已经基本完善。然而在一些特殊场合，这种供电方式同样暴露了很多问题，如在矿场、油田等易燃易爆区，由于电火花的产生及裸露导体的存在会使其存在很大的安全隐患。另外，水下、移动备、便携设备、生物医疗等，传统供电方式已经越来越不能满足这些领域的用电要求。另一方面，电力电子技术所涉及的两个方面：电能传输和信号传递
7、，两者往往相辅相成，共存于同一系统之中，在相当长的时间内，两者的发展趋于同步，如今，信号的传递已经可以通过空气等一些特殊媒介传递相当长的距离，极大的方便了人们的生活；而电能的传输仍然通过导线直接相连进行传输，其发展已远远滞后于信号传递的发展1。虽然电磁感应原理早在 1840 年提出，但对其认识仅局限在常规变压器和感应电机之中，以空气为媒介进行长距离的电能传输很少有人进行尝试。两方面的因素迫切要求开发一种新的电能传输技术，使其能安全、可靠、方便的应用于各种特殊场合，基于电磁感应原理实现的非接触式电能传输系统的出现使之成为可能。非接触式电能传输技术(Inductively Coupled Powe
8、r Transfer 简称 ICPT）已经成为国际学术界关注的一项新的能量传输技术，目前，已有许多国外科研院所和公司从事非接触能量传输系统的研究，并已开发出相关技术。非接触式电能传输技术是基于电磁感应原理的一项新的能量传输技术，即用电设备以非接触方式从固定电网取电的技术，所以又可称为非接触感应供电。这一技术能够有效地克服有线供电方式存在的设备移动灵活性差、环境不美观、容易产生接触火花等问题，特别适用于易燃易爆环境和水下设备的安全供电，可广泛应用于工矿企业吊装设备和运输设备、高层建筑升降式电梯、城市电气化交通、室内电子设备、生物医疗等领域中电气或电子设备的灵活供电。2 非接触电能传输的技术背景和
9、研究现状非接触电能传输的技术背景和研究现状2.1 技术背景技术背景近几年，使用非接触电能传输技术供电的装置已经逐渐实用化，非接触供电设备逐渐走进我们的日常生活。目前实现非接触电能传输的基本原理主要包括以下三种：1、电磁感应型（electromagnetic induction type） ；2、无线电接收型（radio reception type） ；3、共振型（resonance type） 。电磁感应型即感应耦合型（Inductive Power Transfer , IPT)。90 年代初，奥克兰大学以 BOY 教授为首的课题组对 ICPT(Inductively Coupled Po
10、wer Transfer)技术进行了系统的研究,经过十多年的努力，该技术在理论和实践上取得了重大突破，包括有关发明专利 11 项1。2001 年，国内开始着手研究，技术成果及产品较少，但进步很快。IPT 型功率可达数千瓦，但是两个线圈的距离不能超过 1cm。目前已经有一些产品推向市场，包括电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话和净水器等小功率，对安全性和抗干扰性能要求不高的家电产品。无线电接收型功率低，效率低。已经研制出微型高效接收电路，可以捕捉无线电波能量，在变负载情况下也保持稳定的直流电压。利用磁场共振原理解决无线电力传输的距离问题是由美国麻省理工学院（MIT）于 2007 年提出的。MIT 研究
11、小组试制了无线电力传输装置“磁场耦合共振器（magnetically coupled resonators） ” ，利用一对具备 LC 电路特性的线圈组成一对天线，直径有数十厘米。当其中一根天线通过几 MHz 的交流电时，周围产生振动磁场，通过共振向位于数段波长之内的另一根天线传输能量。传输距离为 2m 时效率约为 40，距离为 1m 时效率约为 90。MIT 研究小组采用磁场共振方式传递能量解决了能量散射问题，并把这一技术概念命名为“Witricity” 。共振型功率可达数千瓦，距离可达数米，但是目前尚处于研究阶段。与传统供电方式相比，非接触式电能传输技术有很大的优点2：(1)由于用电设备和
12、供电设备之间无电气连接，避免了的导线插头之间的插拔，可以消除电火花的产生，电气的可靠性和安全性得到了极大的提高；(2)供电系统和能量拾取机构的完全可分离，使二者可以处于相对静止或运动状态，不受连接线的限制，拓展了用电设备的使用空间；(3)可以同时给多个负载供电；(4)由于供电系统和负载之间没有机械磨损和摩擦，可以大大减少系统的损耗，使设备易维护易管理；(5)一些特殊场所的供电如起搏装置、水下供电等，传统供电方式难以实现。但是，由于非接触电能传输技术的研究与应用仍然不成熟，目前只有少数几个国家在某些领域中有所应用。传输效率低也是限制其应用的一个方面，为了提高效率的某些设计，又使得其体积和成本增加
13、。存在的电磁干扰问题也是在实际应用中需要注意和改进的地方。另外，影响其功率传输的一个关键因素开关频率，随着开关频率的提高，所产生的辐射是否会对生物体造成伤害仍等待研究。2.2 研究现状研究现状目前国内外研究和应用最多的是感应耦合型非接触电能传输。新西兰在非接触电能传输技术上领先于其他国家，美国、日本紧随其后。新西兰（主要是奥克兰大学）在非接触供电理论领域提出了多种有价值的原创电路拓扑，美国则将技术与应用并重，日本在该领域的实用方面有较大优势。中国申请专利主要是实用新型，原创发明较少，德国和荷兰将非接触电能传输技术用用与交通和电器领域。国内投入精力持续研究的单位较少，一般都是实用新型成果，电路拓
14、扑传输效率等深层次的研究偏少，缺乏稳定、高效的样机。目前，电能变换与补偿，松散耦合变压器结构设计是目前的两个主要研究领域。尚存在的问题主要包括：1、高频、大功率条件下能量损耗突出；2、负载及电路参数变化与电路频率匹配问题；3、电路智能控制及能量和信号的结合问题；4、松散耦合变压器理论分析以及使用系统设计等。2.3 非接触式电能传输技术的研究现状与发展前景非接触式电能传输技术的研究现状与发展前景非接触式电能传输技术作为一种新兴的电力电子技术，应用了谐振变换技术、软开关切换技术，借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电源设备向移动设备的非接触传递。目前，该技术已受到了广泛关注，国外的许多科研机构
15、已开始此项技术的研究，据此研制的设备也已在多个领域投入使用，对该技术进行研究和产品化的功率级别也已经从几个千瓦发展到几百个千瓦。国内也已有个别科研机构进行了一些初步探索，并取得了一定的科研成果。非接触式电能传输的概念在上世纪 80 年代提出3，比较有代表性的研究机构是新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，该中心从 20 世纪 90 年代开始主要从事滑动式非接触式电能传输系统的研究4-9。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。主要研究集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下的供电问题，如电动汽车、起重机、运货车，以及水下、井下等设备。目前实用的设备已达到 200kW，数
16、公里的导轨距离和 85%以上的传输效率，并己在日本、德国、美国等地得到成功推广。目前该技术典型的应用与商业化产品包括：(1)日本“无线输电器”告别电缆插座时代。这种新型的无线输电器实际上是由 4 层塑胶薄片构成的感应器，当输电器感应到附近家电设备中的接收器时，就可以在特定区域提供无线电能，形成磁场，通过接收器线圈把电力送给用电设备，而不需要线缆和插头、插座。这种设备小巧灵活，预计将很快能达到 100W 左右的传输功率。(2)新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心所属奇思公司基于这些技术成功地开发了两项有关非接触电能传输的实用项目：一是高速公路发光分道猫眼系统8，目前运行于新西兰惠灵顿大隧道中；另一个使用于新西兰 Rotorua 国家地热公园的 40kW 非接触充电电动机车9。(3)日本大阪富库公司的单轨行车和无电瓶自动运货车。这些设备当前已成功的用于许多材料运输系统中，特别是在一些恶劣的环境下，如喷漆车间等10。(4)德国奥姆富尔公司的载人电动列车已试车成功10，在奥姆富尔总部的测试轨是目前为止建造的最大的非接触式电能传输系统，总
