无线能量传输技术调研报告

无线能量传输技术调研报告内容提要1、无线能量传输技术理论简介2、无线能量传输技术实现3、无线能量传输中所存在的问题4、总结和展望无线能量传输技术理论无线能量传输技术（WPT），顾名思义，即以非接触的无线方式实现电源与用电设备之间的能量传输。无线能量传输技术不同于人们日常所看到的无线信号传输技术（无线电等），后者主要关注的是能否成功复原信号的信噪比这个参数，而前者则更着重于传输能量的功率效率参数。无线能量传输技术理论电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为近区场（感应场）和远区场（辐射场）。一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。无线能量传输技术理论近区场通常具有如下特点：1、近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。2、近区场的电磁场强度比远区场大得多。3、近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。在近场区一般采用谐振耦合或者电磁感应的模式进行无线能量传输。无线能量传输技术理论磁谐振耦合无线电能传输系统示意图LC谐振电路该模式下的运动方程为：1）谐振耦合无线能量传输无线能量传输技术理论负载从接收器吸收的有用功率：系统的辐射功率：发射器吸收的功率：接收器吸收的功率：外部干扰物体e吸收的功率：系统的总功率：外部存在物体干扰时的耦合强度：无线能量传输技术理论2）感应耦合无线能量传输感应耦合无线电能传输系统电路简图电路的阻抗传递公式矩阵表示为：无线能量传输技术理论远区场的主要特点如下：1、在远区场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。2、在远区场，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。3、远区场为弱场，其电磁场强度均较小在远场区中，主要有两种无线能量传输的技术：微波能量传输技术与激光能量传输技术。无线能量传输技术理论无线能量传输的特性作为一种点对点的能量传输方式．WPT具有以下特点：l、能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的2、以光速传输能量3、能量传输方向可迅速变换4、在真空中传递能量无损耗5、波长较长时在大气中能量传递损耗很小6、能量传输不受地球引力差的影响7、工作在微波波段．换能器可以很轻这些特点绝大部分都是非常明显的．但是最后一个在空间应用中特别重要。在太空中，唯一的主要能源的是太阳能。所有其它的能源，如燃料电池，电池组，核能，甚至可以吸收太阳能的天线阵列都必须克服重力才能传输到太空中。但是微波供能方式将主要的功率源置于地面．在太空中只留有占系统质量很小部分的滤波和整流设备．从而避免了这个缺点。无线能量传输技术理论香港专业教育学院的研究人员对电磁感应、无线电传输、谐振耦合三种无线能量传输方式进行了比较，得到的比较表格如下所示。电磁感应无线电谐振耦合输出能量几瓦至几百千瓦几十毫瓦最大几千瓦有效距离≤1cm几米范围几米范围控制水平实现和控制都很简单实现困难控制简单实现和控制都很困难安全系数取决于环境条件和技术手段便利性可接受水平最为便利一般水平无线能量传输理论虽然这些能量传输方式都可以实现能量的无线传输，但是他们也都有其不可克服的缺点。例如：电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备；无线电方式问题主要在于其在能量传输过程中能量损耗太大，传输效率太低；谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。无线能量传输技术实现谐振磁耦合无线能量传输技术MIT无线传能实验中发射谐振器和接收谐振器是半径为3mm的铜线缠绕5.25圈、线圈半径300mm、高度200mm，具备分布式电感和电容特性的线圈型谐振器，实验测得其谐振频率为9.90MHz。在谐振器距离2m传输时传输效率约为40％，距离为1m时传输效率可高达90％。2008年8月，Intel西雅图实验室的JoshuaR.Smith研究小组基于磁谐振耦合无线能量传输技术开发出可为小型电器充电的无线传能装置能够实现在1m距离内给60W灯泡提供电能，效率可达75%。无线能量传输技术实现美国匹兹堡大学孙民贵教授所领导的课题组对体内植入电子器件的无线传能进行了深入研究，他们采用薄膜型螺旋线圈谐振器，实验中在20cm传输距离时传输效率可达50%。2010年，日本富士通公司利用磁谐振无线电能传输技术实现为一个以上的设备充电。实验结果显示无线传输距离大约在15厘米左右，而且对多个设备充电时，设备相对于充电器的位置没有任何限制。采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。无线能量传输技术实现哈尔滨工业大学朱春波教授采用直径50cm螺旋铜线圈串接电容的方式构成谐振器，实现在0.7m距离时传输23W的能量，在传输距离为55cm时负载电压获得最大值，其最高传输效率接近50%。重庆大学自动化学院孙跃教授带领的课题组，攻克了无线电能传输的关键技术难题，建立了完整的理论体系，研制出的无线电能传输装置能够输出600W至1000W的电能，传输效率为70%，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影响其供电的稳定性。无线能量传输技术实现香港理工大学傅为农教授带领的课题组对感应耦合无线电能传输技术和磁谐振耦合无线电能传输技术进行了深入的研究，并对两种无线电能传输方式进行了比较。他们采用平面薄膜谐振器，实验中，在发射谐振器和接收谐振器相距20cm时，传输效率为46%，谐振频率为5.5MHz。然而如果利用感应耦合无线电能传输方式实现相同的传输效率，传输距离在0.5cm之内。华南理工大学张波教授带领的课题组从电路角度分析谐振耦合无线电能传输系统传输效率与距离、线圈尺寸等之间的关系；设计制作了多组不同线圈参数的谐振耦合电能无线传输装置，进行比较实验，以实现谐振耦合无线电能传输系统优化的目标；设计频率跟踪系统，解决了谐振耦合电能无线传输中由于谐振频率失谐带来的传输效率低下问题。无线能量传输技术实现感应式无线能量传输奥林巴斯医疗系统公司的小肠用胶囊内窥镜的构造模式图2010年11月，英国HaloIPT公司在伦敦宣布，利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现了为电动汽车无线充电。日本也在进行这方面的研究。无线能量传输技术实现Powermat公司在2009年10月份发布了几款无线充电器系列产品，该系列产品主要由底座和无线能量接收器组成，其中底座部分采用了超薄型设计，而系统中的通用能量接收器则可与被充电设备连接在一起。除了通用接收器之外，Powermat公司还专门为iPhone，iPod，任天堂游戏掌机，黑莓手机等产品设计了专用的无线能量接收器的无线充电器。无线能量传输技术实现体内诊疗方面，主要有日本的东京大学、东北大学、武藏工业大学、美国的密苏里大学哥伦比亚分校等等，国内的重庆大学、上海交通大学、浙江大学等都在进行感应式无线能量传输技术的研究。国内南京航空航天大学航天电源实验室也对电动汽车的无线能量传输技术的几种模式进行了研究。无线能量传输技术实现微波和激光的无线能量传输技术微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。2009年，Lasermotive使用激光二极管，在数百米的距离传输了1千瓦以上的功率，打破了多项世界纪录，并赢得了美国航空航天局（NASA）的大奖。无线能量传输中所存在的问题1、传输距离与效率问题2、设备体积与效率问题3、传输容量与效率问题4、变压器、线圈设计问题5、能量传输的安全性和可靠性总结和展望无线能量传输技术作为一项划时代意义的高新技术，是生活空间中无线技术的又一轮革命。这种新的能量接入模式能满足恶劣工作环境和灵活性、安全性生产的需要。在工矿企业及高层建筑等方面具有的市场需求；在交通运输方面．该技术对电动汽车乃至电动机车、磁悬浮列车等提供巨大的生命力；同时该技术可推广应用于室内用电设备、生物医学和人机电一体化装置能量的灵活接入，甚至还可以推广应用到国防、军事等众多领域。总结和展望未来无线能量传输系统构想