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1、谐振中距离无线电能传输及关键谐振中距离无线电能传输及关键谐振中距离无线电能传输及关键谐振中距离无线电能传输及关键 科学问题科学问题张波张波2014.5.30华南理工大学华南理工大学2014.5.30内容内容1、问题阐述1、问题阐述 2、三种基本方式及物理解释 3、分析方法及特点2、三种基本方式及物理解释 3、分析方法及特点 4、可能的极限参数 5、与高压交直流输电原理比较4、可能的极限参数 5、与高压交直流输电原理比较 6、未来研究方向 7、结语6、未来研究方向 7、结语1、1、问题阐述问题阐述产业界的疑问产业界的疑问？问题阐述问题阐述产业界的疑问产业界的疑问？ 什么时候技术可以产业化？什么时
2、候技术可以产业化？大众的疑问？大众的疑问？ 电磁辐射对人体是否有害电磁辐射对人体是否有害？电磁辐射对人体是否有害电磁辐射对人体是否有害？学术界的疑问学术界的疑问？学术界的疑问学术界的疑问？ 原理是否正确？原理是否正确？ 距离、效率、功率、电磁问题？距离、效率、功率、电磁问题？1、1、问题阐述问题阐述对对MITMIT研究的疑问研究的疑问：问题阐述问题阐述对对MITMIT研究的疑问研究的疑问：（1 1）为什么距离只有为什么距离只有2m?2m?（1 1）为什么距离只有为什么距离只有2m?2m?（2）为什么效率只有40%？（2）为什么效率只有40%？（3）为什么功率只有60w？（3）为什么功率只有60
3、w？（4）为什么谐振频率是9.9MHz?（4）为什么谐振频率是9.9MHz?（5）为什么线圈半径大于0.25m?（5）为什么线圈半径大于0.25m?（6 6）为什么品质因数是为什么品质因数是960960？（6 6）为什么品质因数是为什么品质因数是960960？1、1、问题阐述问题阐述产业界的疑问产业界的疑问？问题阐述问题阐述产业界的疑问产业界的疑问？无线充电财团WPC（2008年成立）无线充电财团WPC（2008年成立） Q Qi i无无线线充充电电标标准准（20102010年推出年推出）Q Qi i无无线线 充充 电电 标标 准准（20102010年推出年推出）电磁感应技术电磁感应技术大标准
4、大标准PMA电源事项 联盟（2012年成立）电源事项 联盟（2012年成立） PMA无 线 充 电 标 准（2013年推出）无 线 充 电 标 准（2013年推出）电磁感应技术电磁感应技术A4WP无 线 充 电联盟（2012年成立）A4WP无 线 充 电联盟（2012年成立） Rezence无 线 充 电 标 准（2013年推出）无 线 充 电 标 准（2013年推出）1、1、问题阐述问题阐述问题阐述问题阐述无线输电产业化无线输电产业化？无线输电产业化无线输电产业化？品品诺基亚无线充电手机诺基亚无线充电手机 Lumia 920戴尔笔记本无线充电底座戴尔笔记本无线充电底座1、1、问题阐述问题阐述
5、问题阐述问题阐述无线输电产业化无线输电产业化？无线输电产业化无线输电产业化？品品WiTricity发布苹果iPhone5s/5无 线充电系统WiTricity发布苹果iPhone5s/5无 线充电系统1、1、问题阐述问题阐述问题阐述问题阐述无线输电产业化无线输电产业化？无线输电产业化无线输电产业化？2014年将是无线充电市场真正拐点2014年将是无线充电市场真正拐点 IMSIMS ResearchResearch的数据的数据：电动汽车静态无线充电电动汽车静态无线充电 （3 3KWKW,90%,85KHz,15cm),90%,85KHz,15cm)IMSIMS ResearchResearch的
6、数据的数据： 2014年，无线充电产品1亿台 2020年，无线充电产品10亿台，2014年，无线充电产品1亿台 2020年，无线充电产品10亿台， 6262亿美元亿美元（3 3KWKW,90%,85KHz,15cm),90%,85KHz,15cm)6262亿美元亿美元1、1、问题阐述问题阐述问题阐述问题阐述大众的疑问大众的疑问？大众的疑问大众的疑问？无尾厨电的电无尾厨电的电 磁辐射量仅为磁辐射量仅为电磁感应技术电磁感应技术磁辐射量仅为磁辐射量仅为 手机的1/10手机的1/10电磁感应技术电磁感应技术100KHZ的低频100KHZ的低频 电磁波不会对电磁波不会对磁谐振技术磁谐振技术电磁波不会对电
7、磁波不会对 人体造成伤害人体造成伤害磁谐振技术磁谐振技术只与同频的负只与同频的负 载发生谐振载发生谐振，1、1、问题阐述问题阐述问题阐述问题阐述学术界的疑问学术界的疑问？学术界的疑问学术界的疑问？电磁感应与磁谐振是否一致？电磁感应与磁谐振是否一致？电磁感应示意图电磁感应示意图1、1、问题阐述问题阐述对对MITMIT研究的疑问研究的疑问？问题阐述问题阐述对对MITMIT研究的疑问研究的疑问？20062006年11月MIT年11月MIT目前可能的 极限参数？目前可能的 极限参数？灯：60w、2m、40%；蓄电池：70%灯：60w、2m、40%；蓄电池：70%2 2、三三种基本方式及物理解释种基本方
8、式及物理解释2 2、种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释基本方式基本方式基本方式基本方式并联谐振并联谐振比电磁感应效果好些比电磁感应效果好些低频感应谐振耦合无线输电（2008）低频感应谐振耦合无线输电（2008）比电磁感应效果好些比电磁感应效果好些串联谐振串联谐振高频自谐振强耦合无线输电（2006）高频自谐振强耦合无线输电（2006）比电磁感应效果好得多比电磁感应效果好得多串联谐振串联谐振2 2、三三种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释物理解释物理解释2 2、种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释物理解释物理解释 磁场在线圈间发生反射，进入回音壁模磁场在线圈间发生反射，进入回音壁模
9、式，增大了耦合磁场，实现无线电能传输。式，增大了耦合磁场，实现无线电能传输。 在空间通过谐振，在发射线圈与接收线 圈之间形成能量短路，实现无线电能传在空间通过谐振，在发射线圈与接收线 圈之间形成能量短路，实现无线电能传 输。输。 类似于机械共振、声共振原理，通过能类似于机械共振、声共振原理，通过能 量不断集聚量不断集聚，实现无线电能传输实现无线电能传输。2 2、三三种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释物理解释物理解释2 2、种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释物理解释物理解释孩孩人人2 2、三三种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释物理解释物理解释2 2、种基本方式及物理解释种基本方
10、式及物理解释物理解释物理解释Source 电路谐振Source 电路谐振Receiver 电路谐振Receiver 电路谐振2 2、三三种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释限制条件限制条件2 2、种基本方式及物理解释种基本方式及物理解释发射线圈产生的近场范围内发射线圈产生的近场范围内限制条件限制条件保守场或守恒场保守场或守恒场保守场或守恒场保守场或守恒场电感电容振荡电路电感电容振荡电路近场近场 近场中的磁场和电场大小近场中的磁场和电场大小电感电容振荡电路电感电容振荡电路近场近场31H21Hr电压高电压高电压低电压低3 3、分析方法及特点分析方法及特点分析方法分析方法3 3、分析方法及特点分
11、析方法及特点 耦合模理论耦合模理论分析方法分析方法将无线输电系统用能量耦合方程表示将无线输电系统用能量耦合方程表示 变压器模型变压器模型将无线输电系统用能量耦合方程表示将无线输电系统用能量耦合方程表示 变压器模型变压器模型将频率较低、集中参数描述的无线输电将频率较低、集中参数描述的无线输电 系统用变压器耦合方程表示系统用变压器耦合方程表示 二端口模型二端口模型系统用变压器耦合方程表示系统用变压器耦合方程表示将无线输电系统用它们相应的外特性参将无线输电系统用它们相应的外特性参 数电压和电流表示数电压和电流表示3 3、分析方法及特点分析方法及特点工作过程工作过程3 3、分析方法及特点分析方法及特点
12、SD工作过程工作过程耦合模耦合模耦合模耦合模MkS SSDHJSD DHE 2SDL LSSt DtSSDDaa21 SSSaL I21 DD DaL I- -= =SSDDaa2SSS2DD DaL I- -= =3 3、分析方法及特点分析方法及特点工作过程工作过程3 3、分析方法及特点分析方法及特点SD工作过程工作过程变压器变压器变压器变压器MS SSU IDD DSU IS SSU IDD D22 D DI rI rcosSSPU I2 DD LPI r- -= =s sD DI rI rSSDD LPI r- -= =3 3、分析方法及特点分析方法及特点工作过程工作过程3 3、分析方法
13、及特点分析方法及特点SD工作过程工作过程二端口二端口二端口二端口SG +1s +2s DL-1s22 +1-1-Sss2s 22 22-DSss11122122SSSS，22 +1-1-Sss22 22-DSss-=-=4 4、可能的极限可能的极限参参数数4 4、参参距离能有多远距离能有多远？波阻抗恒定波阻抗恒定近场范围近场范围：距离能有多远距离能有多远？波阻抗波阻抗波阻抗波阻抗=EZHH MHz50MHz S=47 77mcc波长波长SMax=47.77m=c fS=2c f近场距离近场距离波长波长4 4、可能的极限参数可能的极限参数4 4、可能的极限参数可能的极限参数能量耦合系数有多大能量
14、耦合系数有多大？能量耦合系数有多大能量耦合系数有多大？互感互感M21 2SMI SDSkM L感应耦合系数感应耦合系数耦合系数耦合系数(2)SDSDkML L谐振耦合系数谐振耦合系数SDSkLG1064 4、可能的极限可能的极限参参数数4 4、参参效率能有多大？效率能有多大？22()100%()()() WDWSDWMR RRRRRM实际最大效率实际最大效率0,0SDRR100%理想情况理想情况0SR 线圈电阻线圈电阻辐射电阻辐射电阻100%实际情况实际情况 辐射电阻辐射电阻0DR 线圈电阻线圈电阻D线圈电阻线圈电阻4 4、可能的极限可能的极限参参数数4 4、参参传输功率能有多大传输功率能有多
15、大？R最大传输功率最大传输功率传输功率能有多大传输功率能有多大？SDQMI I=MaxPQW SDSRUUM22()W SWRUMPR负载功率负载功率MW最大输出功率与电磁耦合大小及频率成反比？最大输出功率与电磁耦合大小及频率成反比？耦合越小传输功率大！耦合越小传输功率大！4 4、可能的极限可能的极限参参数数4 4、参参辐射能有多大？辐射能有多大？由于人的相对磁导率为1，故磁耦合谐振对人体 几乎没有影响。由于人的相对磁导率为1，故磁耦合谐振对人体 几乎没有影响。 射概射概在在磁磁辐射辐射水平大水平大概概和核磁共振仪类似，应该是和核磁共振仪类似，应该是在在 安全范围之内。安全范围之内。i由于由于RW小于小于人体，电磁大部分流过小于小于人体，电磁大部分流过RWiSDRWuSD 人体振振振振5 5、与高压交直流输电原理类比与高压交直流输电原理类比谐振无线输电思想谐振无线输电思想：5 5、与高压交直流输电原理类比与高压交直流输电原理类比谐振无线输电思想谐振无线输电思想： 无线通过近场磁谐振，在电源与负载之间建立无线通过近场磁谐振，在电源与负载之间建立 一条低电磁损耗一条低电磁损耗、无形的输电通道无形的输电通道。一条低电磁损耗一条低电磁损耗、无形的输电通道无形的输电通道。高压交直输电思想高压交直输电思想：高压交直输电思想高压交直输电思想： 通过高电压，在电源与负载之间建
