无接触电能传输研究现状

1无接触电能传输技术的研究现状广义地说，无接触电能传输（ContactlessPowerTransfer，简称CPT）技术泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术。其中，“载体”包括激光、微波、RF无线电波、以及电磁场近场耦合等。但是，由于目前研究最广泛的是基于电磁场近场耦合的CPT技术，因此狭义的CPT技术专指这种基于电磁感应原理，综合利用电力电子技术、磁场耦合技术及控制理论，实现用电设备以非电气接触方式从电网获取电能的技术。CPT技术在不同的领域或者不同的研究团队有着不同的名称，如生物医电领域称为TET（TranscutaneousEnergyTransmission）技术，在其他领域也称为WET（WirelessEnergyTransfer）、CPS（ContactlessPowerSupply）、CLPS（ContactlessPowerStation）、IPT（InductivePowerTransfer）及ICPT（InductivelyCoupledPowerTransfer）等等，总而言之，所有这些不同的名字都指代着相同的东西，即通过电磁感应的基本原理实现电能无接触传输的技术，这里，我们统称为CPT技术。美国麻省理工学院的MarinSoljacic教授等提出一种“Witricity”技术，基于磁共振原理实现较大距离的无线能量传输，2006年底他们展示了可实现2m距离60W功率传输的演示系统，并在《Science》杂志上发表了其研究成果，引起了世界轰动。它的原理是将发送端和接收端的线圈构成了一个磁场耦合共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的频率相同时，接收端就会产生共振，从而最大化地实现了能量的传输。这种无接触电能传输技术具有传输距离长、能量损耗较小，传输效率高，传输性能稳定等多方面的优点，因此这种技术吸引了大家更多的关注和研究。此外，还有一种将电能以微波或激光形式远程传输，发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，这种方式由于传输距离远，系统稳定性较差，发射器发射的大部分能量损耗在传输空间中，致使电磁辐射大、传输效率低，目前这方面国内外研究的还较少。通过中国知网，目前能搜索到的国内关于无接触电能传输的文章大概有150篇左右，其中期刊大约有100篇，硕、博士论文有50篇左右。这些文章的内容绝大部分都集中在采用电磁感应原理来实现无接触传能的，偶尔有几篇提到用微波的方法实现无线传能，而采用witricity实现无接触电能传输的还鲜有文章。2国外无接触电能传输技术的研究起步较早，他们在基础理论方面已经取得了较大的突破，并有很多产业化的产品问世。下面我们将从CPT技术、Witricity技术和微波或激光技术这三方面来详细介绍一下国内外各个科研机构的研究现状。1.CPT技术国内外研究的现状目前国内外研究CPT技术的研究团队主要有重庆大学、南京航空航天大学、香港城市大学、中科院电工研究所、浙江大学、南京理工大学、湖南大学、郑州大学等，他们先后开展了CPT技术相关的基础研究与应用开发。重庆大学自动化学院孙跃教授为首的团队于2002年初开始对CPT技术进行研究，该团队在国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科、重庆市重点基金项目、重庆市科技攻关项目等系列科研基金项目资助掌握了CPT技术的主电路拓扑、控制策略、磁路分析等相关技术原理场空间散射和不均衡问题，提出功率磁场聚集技术，以实现局部近似间；针对任意方向拾取问题，构建了具有磁力线方位自动跟踪能力的由度拾取机构；针对传统单向能量传输带来的能量回馈困难等问题，基于调幅控制的双向电能高频变换拓扑及相应的控制算法；针对大范式CPT系统，提出能量的无线组网技术，以实现网络化方式扩大非接的距离；针对城市电气化轨道交通，提出了一套基于CPT技术的供电绕CPT技术的相关理论及应用研究，尤其是在高频软开关谐振变换器及非线性行为分析等方面，该团队已在国内外重要学术期刊及国际会数十篇论文，拥有已授权专利一项，并与奥克兰大学的呼爱国博士（PatrickAiguoHu）合作，积极推进该技术的理论及应用研究，同时他们也进行该技术的应用推广。2004年，该团队研发了适用于手机等便携式消费电子产品的非接触充电平台；2006年，设计了多分区可独立控制的非接触供电桌面电源，并申请发明专利；2006年，开发出2000W功率容量的CPT电源系统；2008年，与国内某大型能源企业合作，开发出用于石油钻井设备的非接触式信号与能量传输装置；2008年，与国内某企业合作，开发出非接触式引信感应点火装置。南京航空航天大学自动化学院以王慧贞高级工程师为首的团队向航空电源研究发面发展，他们讨论了绕组位置和气隙对可分离变压器参数的影响，并利用电磁场软件ANSYS进行了有限元仿真，得出了变压器参数随气隙变化的规律，对设计的可分离变压器的参数进行了测试，并给出了实际测试结果。松耦合全桥谐3振变换器的原副边补偿、串串补偿和串并补偿的特性以及松耦合变换器的控制方法进行了一些研究，并对全桥串联谐振变换器构成的非接触感应电能传输系统进行了实验验证。南京理工大学把无接触能量传输技术应用于引信感应装定系统中，研究了电磁感应装定技术，提出一种解决引信无内置能源感应装定问题的能量和信息非接触一体化传输技术，并对装定器内的可分离变压器各种耦合情况进行了实验和仿真。浙江大学针对磁浮列车低速时车载直线发电机供电不足的问题，提出了提出了注入高次谐波电流的非接触紧急供电方案，分析了副边电容串联补偿和并联补偿的方法，探讨了原边补偿的各种方法，并利用模拟实验装置验证了效率提升方法的可行性。香港城市大学的许树源教授也是较早的涉足于CPT技术的研究，他主要研究了PCB(PrintedCircuitBoard)空心变压器以及基于此变压器的平板式电池非接触充电平台，许教授的充电平台利用近场电磁耦合原理，其产生的低频道电磁场，不会损害电子产品内的记忆体，实验证明充电平台所需的充电时间与传统充电器差不多，因此他为手机等小功率消费电子产品的便捷安全充电提供了很好的解决方案。此外，湖南大学对高频滑动松祸合变压器原理及设计给出了方案，中科院电工所、郑州大学等科研机构也都对可分离变压器的结构、初、次级电路的补偿方法给出了可靠的理论依据和实验模型。国外的新西兰、德国、美国和日本等国家相继投入大量的人力和物力，开展此领域的基础研究与实用技术开发，并针对一些特殊领域开发了相应的产品。在国外，主要研究CPT技术的学府有新西兰奥克兰大学(TheUniversityofAuckland)，日本东京大学(TokyoUniversity)、崇城大学(SojoUniversity)、东北大学(TohokuUniversity)等。新西兰奥克兰大学波依斯(JohnT.Boys)教授为首的课题组率先提出了基于电磁耦合技术的非接触电能传输技术，即感应耦合电能传输技术，他们将其命名为ICPT技术。自上世纪90年代以来，他们一直在研究CPT技术的基本原理及其在有轨电车、单轨行车及运料车等轨道交通设备、生物体内电气设备等的无接触4供电以及电动汽车感应充电等方面的应用，先后发表了上百篇期刊及会议论文，详细阐述了CPT技术的基本原理及设计思路、耦合场机构设计、启动控制问题、频率分析、频率稳定策略、电路分析方法、能量与信号同步传输、功率控制策略以及系统稳定性问题等，呼爱国博士(PatrickAiguoHu)的博士论文作为奥克兰大学CPT技术研究的第一份博士论文，对CPT技术进行了系统的分析与研究，目前更是受到了广泛的参考和引用。另外奥克兰大学还拥有CPT技术相关的数十项专利，并积极进行该技术的工业化应用，先后与德国Wampfler公司及日本Daifuku公司等合作推出CPT技术在工厂物料系统应用的相关产品，与新西兰TelemetryResearch公司合作开发非接触供电的生物体内遥测产品，与新西兰PowerbyProxy公司合作研发转动机械臂的非接触供电装置等。日本东京大学的TakaoSomeya教授等研究人员运用印刷式塑性MEMS开关及有机晶体管技术研究小功率CPT技术，成功研制出一种可大面积铺置的能量发射塑性膜片，该膜片结构上包含了四层，功能上分为位置传感单元和能量发射单元两个部分，其中位置传感单元采用了高频的有机晶体管，而能量发射单元则采用了低阻抗的塑性MEMS开关，该系统可根据负载的位置，控制相应能量发射线圈工作，从而实现高效率的能量传输，在原副边结合较为紧密(100μm)的情况下，可实现40.5W最大传输功率及81.4%的传输效率。他们的这一研究成果于2007年发表在《NatureMaterial》杂志。日本崇城大学的HiroshiSakamoto及KumamotoInstituteofTechnology的KoosukeHarada教授从上世纪90年代初就开始了CPT技术在电动汽车的非接触充电等方面的研究，先后在《IEEETransactionsonMagnetics》等重要刊物上发表了十余篇论文，其研究内容主要包括能量与信号同步传输，磁场耦合机构等。东北大学的FumihiroSato及HidetoshiMatsuki教授等于上世纪90年代初开始研究电动汽车的无接触供电技术，与东京大学的方案类似，他们的方案中也采用了多原边发射线圈，并通过位置传感线圈检测车辆位置，然后根据车辆位置自动切换原边工作线圈。2001年，他们将这种CPT方案应用到了桌面电源，解决便携式电子设备的无接触充电问题，同时对水下自动巡航机器人的非接触供电技术进行了研究。2004年，他们开始研究植入式功能电激励模块及人工心脏等生物体内电子设备的非接触电能及信号传输技术，对人造器官的体外非接触供5电以及信息传递进行了理论和实践探索。日本横滨国立大学(YokohamaNationalUniversity)的M.Nishimura及A.Kawamura等研究了高速列车的非接触供电问题。日本日立研究实验室的HidekiAyano等研究了电梯及自动巡航车的非接触供电系统，对其松耦合电磁机构的磁芯型状和绕圈的形状及绕制等作了较为详细的分析。日本YokohamaNationalUniversity的AtsuoKawamura等研究了旋转式CPT系统的无线电能及信号传输。韩国KyungpookNationalUniversity的ByungchoChoi等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上刻制的线圈来大大减小原副边线圈的体积，从而使得副边拾取及整流充电电路部分可以全部内置于手机。美国GeneralAtomicsElectronicSystems公司的Byeong-MunSong等研究了磁悬浮列车的非接触供电问题。美国DeltaProductsCorporation的YungtackJang及MilanM.Jovanovic研究了可适应宽输入电压及宽负载范围的非接触电能传输技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中。下面介绍一些应用电磁感应原理实现无接触能量传输产业化的现状：从1999年开始，德国VAHLE公司是另一家专门从事移动供电和数据传输设备的公司，该公司研发的非接触供电系统CPS(ContactlessPoweredSupply)应用于轨道移动设备如起重机系统、升降机、单轨道系统、载人器械等设备。他们的产品已经成功应用到Volkswagen、BMW、Ford及Skoda等公司的自动生产线上。2002年，公司在美国密西西比州TowerAutomotive安装电动单轨系统，导轨长达182m，可同时驱动17个小车。2003年，公司为莫斯科电视塔安装4台基于CPS技术的起升高度为363米的升降机。2003年，ABB公司开始生产传感器与执行器的无线接口产品WISA(WirelessInterfacetoSensorsandActuators)，该产品中采用的无线电能传输系统(WPU100型)可以实现在三维立体空间中为多个无线传感器或执行器供电。WISA设备可在273m空间范围内实现了