學(xué)術(shù)講座之無線電力傳輸技術(shù)2

學(xué)術(shù)講座之無線電力傳輸技術(shù)2第一頁，共30頁。待解決的問題

電磁輻射安全問題電磁兼容問題系統(tǒng)整體性能的提高產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一電力公司如何計費、收費第二頁，共30頁。電磁輻射安全問題

傳統(tǒng)供電：傳輸路徑上，能量可控。無線通訊：微小功率。無線電力傳輸：①路徑上能量不易控；②能量功率較大。第三頁，共30頁。電磁輻射安全問題

危害機(jī)理：熱效應(yīng)：人體是導(dǎo)體，接受電磁波而產(chǎn)生渦流，發(fā)熱。非熱效應(yīng)：人體組織和器官存在微弱電磁場，受電磁波而破壞平衡，影響人體機(jī)能。積累效應(yīng)：高能電磁輻射造成的危害未來得及自我修復(fù)之前再次受到輻射，傷害程度就會積累。第四頁，共30頁。電磁輻射安全問題

高能量的能量密度勢必會對人身安全及健康帶來影響。如：地磁場50-60μT，核磁共振0.5-4T；陽光的功率密度一般為100mW/cm2。所以采用無線輸電時要考慮避免對人身的傷害。第五頁，共30頁。電磁輻射安全問題

電磁感應(yīng)短程傳輸?shù)皖l磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場的強(qiáng)度。會增加電能的消耗；可能會導(dǎo)致附近使用磁信號來記錄信息的設(shè)備失效。第六頁，共30頁。電磁輻射安全問題

電磁耦合共振中程傳輸“中程”距離：可達(dá)感應(yīng)線圈半徑8倍的距離。發(fā)射裝置與能量源相連，并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，在發(fā)射線圈周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。第七頁，共30頁。電磁輻射安全問題

第八頁，共30頁。電磁輻射安全問題

電磁耦合共振中程傳輸能量的傳輸是在一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對系統(tǒng)外的物體（非共振頻率）不會產(chǎn)生影響。一般情況，其磁場強(qiáng)度與地磁場相似，50-60μT第九頁，共30頁。電磁輻射安全問題

微波/激光遠(yuǎn)程傳輸無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越?。浑娏νㄟ^振蕩器變換成微波/激光電力，從送電的天線向遠(yuǎn)處以微波/激光形式無線送電；接收天線由半波長的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收微波/激光并轉(zhuǎn)為直流電力。第十頁，共30頁。電磁輻射安全問題

微波/激光遠(yuǎn)程傳輸微波：頻率為300MHz~300GHz的電磁波；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云層。激光：3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz。障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換，穿越云層能量損耗大。在接收整流天線口徑面以外的區(qū)域基本都是符合輻射安全標(biāo)準(zhǔn)的，在接收天線口徑面內(nèi)的輻射相對較強(qiáng)，需要在接收系統(tǒng)外圍建立保護(hù)禁區(qū)。目前一般采用的微波功率密度約為5mW/cm2第十一頁，共30頁。電磁兼容問題

無線能量傳輸系統(tǒng)在工作時周圍空間會存在高頻電磁場，這就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。電磁兼容性問題三個因素：電磁干擾源；耦合途徑；敏感設(shè)備。從這三個因素入手，對癥下藥，消除其中某一個因素，就能解決電磁兼容問題。因此采取有效的抗干擾措施、屏蔽技術(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電磁干擾。第十二頁，共30頁。微波電磁兼容問題微波：頻率為300MHz~300GHz的電磁波；現(xiàn)有的研究中，兩種頻率比較常用：2.45GHz、5.8GHz，這兩個頻率已經(jīng)分配給ITUR無線廣播、工業(yè)和醫(yī)學(xué)當(dāng)中使用。同頻率間的電磁干擾是必須考慮的。電磁兼容問題

第十三頁，共30頁。整體性能的提高

電磁感應(yīng)式：包括輸入整流、高頻逆變、可分離變壓器和輸出整流濾波等環(huán)節(jié)?？煞蛛x變壓器按其原邊與副邊的相對運動狀況又可分為：靜止、旋轉(zhuǎn)和相對運動三種形式。第十四頁，共30頁。整體性能的提高

電磁感應(yīng)式：滿足要求的前提下，縮短傳輸距離，提高效率；提高原邊與副邊的橫向位置精確度；避免金屬異物進(jìn)入傳輸線圈之間引起局部發(fā)熱現(xiàn)象。第十五頁，共30頁。整體性能的提高

電磁耦合共振式：由RF電路產(chǎn)生與諧振線圈固有頻率相同的高頻正弦信號，經(jīng)過線性功率放大之后，注入到發(fā)送端LC諧振線圈，經(jīng)過非輻射性高頻磁場耦合，能量傳遞到接收端諧振線圈，經(jīng)過輸出整流濾波之后為負(fù)載供給能量。第十六頁，共30頁。整體性能的提高

電磁耦合共振式：傳輸距離一般為8倍線圈距離。縮小銅線圈；增大傳輸距離。第十七頁，共30頁。整體性能的提高

微波式：系統(tǒng)先把電能轉(zhuǎn)換成微波（采用的典型頻率約為2.4GHZ），經(jīng)過發(fā)射天線將能量由自由空間傳遞到接收天線,再經(jīng)過微波整流器件,把微波轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)無線能量傳輸。第十八頁，共30頁。整體性能的提高

微波式：高性能天線；微波源；微波接收整流設(shè)備。第十九頁，共30頁。整體性能的提高

微波式-高性能天線：高方向性天線-八木天線；第二十頁，共30頁。整體性能的提高

微波式-高性能天線：高方向性天線-反射面天線；第二十一頁，共30頁。整體性能的提高

微波式-微波源：微波電子管在高電壓下可以放大較高功率的微波，具有較高的效率（70%）；半導(dǎo)體放大器通常只放大低功率微波，其所需要的電壓也比較低，然而它的成本卻較高。第二十二頁，共30頁。整體性能的提高

微波式-整流設(shè)備：硅整流二極管天線：由一個天線及高頻整流電路所構(gòu)成，高頻整流電路能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘柦?jīng)由肖特基二極管整流成直流電源。如：一個微波吸收效率為85%的硅整流二極管天線，其覆蓋直徑為5km。第二十三頁，共30頁。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

Qi標(biāo)準(zhǔn)—產(chǎn)生背景

設(shè)備使用的充電器千差萬別，電源插口形式、設(shè)備插口形式、電壓等級、電流容量均存在較大差異，因此往往每臺設(shè)備都配有專用的電源轉(zhuǎn)換器，這既產(chǎn)生了極大的浪費和污染。一個充電設(shè)備可供各種不同企業(yè)、不同品牌的便攜終端充電，Qi應(yīng)運而來。第二十四頁，共30頁。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

Qi標(biāo)準(zhǔn)與無線充電聯(lián)盟2008年12月17日多家國際電子設(shè)備廠商聯(lián)合成立了無線充電聯(lián)盟（WPC），目標(biāo)是制定一種在便攜式電子產(chǎn)品--手機(jī)、電腦配件、照相機(jī)、遙控器、醫(yī)療及個人護(hù)理等各種電子設(shè)備中廣泛采用的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即Qi標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于2010年7月制訂，2010年8月31日無線充電聯(lián)盟宣布已向其成員交付了Qi標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，并將該標(biāo)準(zhǔn)引入了中國。第二十五頁，共30頁。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

Qi標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理目前WPC確定的Qi標(biāo)準(zhǔn)1.0版本是低功率技術(shù)規(guī)范，針對不超過5瓦特的電子設(shè)備。針對不超過120瓦特的中等功率技術(shù)規(guī)范制定工作也已于2010年10月啟動。第一部分對無線充電器及接收器的界面進(jìn)行定義；第二部分和第三部分是對產(chǎn)品的表現(xiàn)要求和認(rèn)證測試的要求。只有獲得認(rèn)證的產(chǎn)品才能允許使用Qi標(biāo)識。第二十六頁，共30頁。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

Qi標(biāo)準(zhǔn)的組成及基本原理Qi標(biāo)準(zhǔn)下的無線充電設(shè)備包括：可接公共電源的無線充電板；符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的接收器。后者可以內(nèi)置在終端設(shè)備中，采用了目前主流的無線電能傳輸理論---電磁感應(yīng)式無線電能傳輸原理。第二十七頁，