無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)

1、無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù) 2012.4 無(wú)線(xiàn)能量傳輸綜述 無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 當(dāng)前存在問(wèn)題 無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)（WPT），又稱(chēng)無(wú)接觸能量傳輸無(wú)接觸能量傳輸（Contactless Power Transmission， CPT）技術(shù)，技術(shù)，顧名思義，即以非接觸的無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。早在1890 年，由著名電氣工程師（物理學(xué)家）尼古拉特斯拉(Nikola Tesla) 提出。無(wú)線(xiàn)能量傳輸綜述太多的電線(xiàn)插 座給人們的生 活帶來(lái)不便無(wú)線(xiàn)能量傳輸綜述無(wú)線(xiàn)能量傳輸綜述如此多的節(jié)點(diǎn)如何 解決電池問(wèn)題？無(wú)線(xiàn)能量傳輸綜述 1831年，邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)，周?chē)?/p>

2、磁場(chǎng)的變化將在電線(xiàn)中產(chǎn)生電流。 1890年，尼古拉特斯拉提出無(wú)線(xiàn)電力傳輸?shù)臉?gòu)想。 20世紀(jì)60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的無(wú)線(xiàn)電能傳輸研究工作,從而奠定了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ),使這一概念變成了現(xiàn)實(shí)。無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Soljacic）等人在無(wú)線(xiàn)電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），2010年8月31日，無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟在北京正式將Qi

3、無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)引入中國(guó)MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 最近，多家公司已經(jīng)生產(chǎn)出無(wú)線(xiàn)充電的手機(jī)、mp3、便攜式電腦、電動(dòng)汽車(chē)。2009年，TI和FultoneCoupled技術(shù)公司合作開(kāi)發(fā)電源芯片用于控制非接觸式充電2010年1月，在美國(guó)CES展覽會(huì)上，海爾公司推出了“無(wú)尾電視”P(pán)owermat公司展示了為不同電子產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的設(shè)備無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)發(fā)展史無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式電磁感應(yīng)式（非接觸感應(yīng)式）電能傳輸電路的基本特征就是 原副邊電路分離。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)相聯(lián)系。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 根據(jù)無(wú)接觸變壓器初、次級(jí)之間所處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，新型無(wú)接觸能

4、量傳輸系統(tǒng)可分為：分離式、移動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式，分別給相對(duì)于初級(jí)繞組保持靜止、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的電氣設(shè) 備供電。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式日本三洋推出的任天堂官方授權(quán)產(chǎn)品“Wii遙控器專(zhuān)用非接觸式充電套件”。 電動(dòng)車(chē)電動(dòng)車(chē)采用電磁感應(yīng)方式充電.即將一個(gè)受電線(xiàn) 圈裝置安裝在汽車(chē)的底 盤(pán)上，將另一個(gè)供電線(xiàn) 圈裝置安裝在地面，當(dāng) 電動(dòng)汽車(chē)駛到供電線(xiàn)圈 裝置上，受電線(xiàn)圈即可 接受到供電線(xiàn)圈的電 流，從而對(duì)電池進(jìn)行充 電。目前，這套裝置的 額定輸出功率為10kW， 一般的電動(dòng)汽車(chē)可在7-8 小時(shí)內(nèi)完成充電。日產(chǎn)魔方電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式特點(diǎn): 較大氣隙存在，使得原副邊無(wú)電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng) 接觸式電能的固有缺陷； 較大

5、氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高； 傳輸距離較短，實(shí)用上多在mm級(jí)。缺點(diǎn)： 電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其范圍內(nèi)的金屬都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會(huì)使設(shè)備的線(xiàn)路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式諧振耦合方式（又稱(chēng)WiTricity技術(shù)）是由麻省理工學(xué)院（MIT）物理系、電 子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所（Institute for Soldier Nanotechnologies）的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率 的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線(xiàn)圈及放置 兩端的平板電容器，共同組成諧振

6、電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線(xiàn)傳輸。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 MIT無(wú)線(xiàn)傳能實(shí)驗(yàn)中發(fā)射諧振器和接收諧振器是半徑為3mm的銅線(xiàn)纏繞5.25圈、線(xiàn)圈半徑300mm、高度200mm，具備分布式電感和電容特性的線(xiàn)圈型諧振器，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其諧振頻率為9.90MHz。在諧振器距離2m傳輸時(shí)傳輸效率約為40，距離為1m時(shí)傳輸效率可高達(dá)90。 2008年8月，Intel西雅圖實(shí)驗(yàn)室的Joshua R. Smith研究小組基于磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)出可為小型電器充電的無(wú)線(xiàn)傳能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在1m距離內(nèi)給60W燈泡提供電能，效率可達(dá)75%。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式特點(diǎn)： 利用磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)傳輸，輻射小，具有方向性。 中等距離傳輸，

7、傳輸效率較高。 能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響。 傳輸效果與頻率及天線(xiàn)尺寸關(guān)系密切。缺點(diǎn)： 諧振耦合方式安全實(shí)現(xiàn)問(wèn)題比較嚴(yán)重，要想更好的實(shí)現(xiàn)諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無(wú)線(xiàn)電波式(輻射式) 基本原理類(lèi)似于早期使用的礦石收音機(jī)，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(wú)線(xiàn)電波能量，在隨負(fù)載 作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 Powercast公司研制出 可以將無(wú)線(xiàn)電波轉(zhuǎn)化成直流 電的接收裝置，可在約1米 范圍內(nèi)為不同電子裝置的電 池充電。

8、微波和激光的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù) 微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)目前尚處于研發(fā)階段，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成本較低，技術(shù)瓶頸是效率太低，而且容易發(fā)熱，損壞設(shè)備。 2009年，Lasermotive使用激光二極管，在數(shù)百米的距離傳輸了1千瓦以上的功率，打破了多項(xiàng)世界紀(jì)錄，并贏得了美國(guó)航空航天局（NASA）的大獎(jiǎng)。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無(wú)線(xiàn)電方式問(wèn)題主要在于其在能量傳輸過(guò)程中能量損耗太大，傳輸效率太低。 如果輻射是全方向性的,則能量傳輸效率會(huì)十分的低;如果是定向輻射,也要求具有不間斷可視的方位和十分復(fù)雜的追蹤儀器設(shè)備三種無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式比較三種無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式比較電磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)電諧振耦合輸出能量幾瓦至幾百千瓦幾十毫瓦最大幾

9、千瓦有效距離1cm幾米范圍幾米范圍控制水平實(shí)現(xiàn)和控制都很簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)困難控制簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)和控制都很困難安全系數(shù)取決于環(huán)境條件和技術(shù)手段便利性可接受水平最為便利一般水平無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望同時(shí)充電的汽車(chē)數(shù)目有限戶(hù)外有線(xiàn)充電樁易受到侵害建專(zhuān)用充電站占用大量用地采用無(wú)線(xiàn)充電形式無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，軌道交通將主導(dǎo)未來(lái)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展的趨勢(shì)。目 前，采用無(wú)線(xiàn)方式為軌道

10、交通供電 也是目前的研究熱點(diǎn)之一無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 特種設(shè)備特種設(shè)備 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)) 微波飛機(jī)微波飛機(jī) 空間電力輸送空間電力輸送 電磁輻射安全問(wèn)題電磁輻射安全問(wèn)題 電磁兼容問(wèn)題電磁兼容問(wèn)題 系統(tǒng)整體性能有待提高系統(tǒng)整體性能有待提高 產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題電磁輻射安全問(wèn)題 對(duì)人身安全和周?chē)h(huán)境的影響需對(duì)人身安全和周?chē)h(huán)境的影響需要解決。要解決。 由于無(wú)線(xiàn)能量的傳輸既不像傳統(tǒng)由于無(wú)線(xiàn)能量的傳輸既不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制

11、也不像無(wú)線(xiàn)通上得到很好的控制也不像無(wú)線(xiàn)通訊那樣傳送微小的功率。訊那樣傳送微小的功率。 高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全及健康帶來(lái)影響。安全及健康帶來(lái)影響。 對(duì)激光則在功率密度小于對(duì)激光則在功率密度小于2.5mW/cm2才能保證對(duì)人體無(wú)才能保證對(duì)人體無(wú)傷害。所以采用無(wú)線(xiàn)輸電時(shí)要考傷害。所以采用無(wú)線(xiàn)輸電時(shí)要考慮避慮避 免對(duì)人身的傷害。免對(duì)人身的傷害。當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題電磁兼容性 無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周?chē)臻g會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周?chē)臻g會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，這就要求這就要求 系統(tǒng)本身具有較高的電磁

12、兼容指標(biāo)。系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必 須存在三個(gè)因素，即電磁騷電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇 到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這三個(gè)因素入手，對(duì)癥下藥，消除其中某一 個(gè)因素，就能解決電磁兼容問(wèn)題。因此采取有效的因此采取有效的抗干擾措施、屏蔽抗干擾措施、屏蔽 技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉，重疊等造成不必要的避免交叉，重疊等造成不必要的 電磁干擾。電磁干擾。當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題系統(tǒng)整體性能有待提高 傳輸效率普遍不高。傳輸效率普遍不高。 目前無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓撸?/p>

13、要目前無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓?，主?原因是能量的控制比較困難，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)原因是能量的控制比較困難，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的的 傳送在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)散射等損耗一部分能量，能傳送在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)散射等損耗一部分能量，能量轉(zhuǎn)換量轉(zhuǎn)換 器的效率不高也是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因器的效率不高也是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。素。 當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳 輸?shù)男室矔?huì)逐漸輸?shù)男室矔?huì)逐漸提高。提高。當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系 對(duì)于無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、對(duì)于無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中

14、幾個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、 傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。 一般情況下，傳一般情況下，傳輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功率就越大。率就越大。 如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功率率 是無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一。也是小功率是無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一。也是小功率設(shè)備實(shí)設(shè)備實(shí) 現(xiàn)無(wú)線(xiàn)輸電的前提。現(xiàn)無(wú)線(xiàn)輸電的前提。未來(lái)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)想未來(lái)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)想 2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Solja

15、cic）等人在無(wú)線(xiàn)電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），2010年8月31日，無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)引入中國(guó)MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈?？耍∕arin Soljacic）等人在無(wú)線(xiàn)電能傳輸方面取得了新 進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟2008年12月17日成立無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），

16、2010年8月31日，無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)引入中國(guó)MIT小組隔空點(diǎn)亮燈泡無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)發(fā)展史 無(wú)線(xiàn)電波式(輻射式) 基本原理類(lèi)似于早期使用的礦石收音機(jī)，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(wú)線(xiàn)電波能量，在隨負(fù)載 作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)方式 無(wú)線(xiàn)電方式問(wèn)題主要在于其在能量傳輸過(guò)程中能量損耗太大，傳輸效率太低。 如果輻射是全方向性的,則能量傳輸效率會(huì)十分的低;如果是定向輻射,也要求具有不間斷可視的方位和十分復(fù)雜的追蹤儀器設(shè)備無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望無(wú)線(xiàn)能量傳輸主要應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望 隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，軌道交通將主導(dǎo)未來(lái)運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展的趨勢(shì)。目 前，采用無(wú)線(xiàn)方式為軌道交通供電 也是目前的研究熱點(diǎn)之一當(dāng)前需要解決的問(wèn)題當(dāng)前需要解決的問(wèn)題傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系 對(duì)于無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)