分析討論新型供電技術(shù)

摘要：介紹了三種類型的無(wú)線供電方案，并對(duì)各方案的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)提出了典型應(yīng)用原理圖。為設(shè)計(jì)和應(yīng)用無(wú)線供電提供了參考。 敘詞：無(wú)線充電 電磁感應(yīng) 電磁共振 電磁輻射 設(shè)計(jì)原理 Abstract：The paper introduces three types of wireless power supply schemes, and in the meantime analyses the principles and key technology related to each scheme. In addition, the author provides typical application schematic diagram by referring to current technology, so as to provide reference for designing and applying wireless power supply. Keyword：Wireless charging, Electromagnetic induction, Electromagnetic resonance vibration, Electromagnetic radiation, Schematic diagram

1 引言

昨晚做了一個(gè)夢(mèng)，夢(mèng)中開(kāi)著我的愛(ài)車云游世界，因車沒(méi)電而被迫停在了荒野上，我飛向了太空。在空中安裝了太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)能變成了微波，我的車載天線接收了微波并把它變回了電能，給汽車充電；這時(shí)突然電話響了，發(fā)現(xiàn)電量顯示不足，我打開(kāi)了開(kāi)關(guān)，在接電話的同時(shí)充起了電，真方便?。∥乙挥X(jué)醒來(lái)，腦海中仍留有許多無(wú)線電能傳輸?shù)拿缐?mèng)。

2 無(wú)線電能傳輸

傳統(tǒng)電能的傳輸主要是利用金屬導(dǎo)線直接接觸來(lái)進(jìn)行的，這給我們帶來(lái)了許多的不便。而無(wú)線電能傳輸就不同了，電能從發(fā)射端到接收端無(wú)接觸，提高了用電設(shè)備獲得電能的靈活性。無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)對(duì)移動(dòng)電氣設(shè)備、工作于水下及易燃易爆等特殊環(huán)境下的電氣設(shè)備提供可靠的電能供應(yīng)。目前常用的有三類方法，即電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式無(wú)線電能傳輸。

3 電磁感應(yīng) (Electromagnetic Induction )方式電能傳輸

3.1 電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的基本工作原理

電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)主要由三大部分組成，即能量發(fā)送部分(Transmitter)，分離式變壓器(Transformer)和能量接收部分(Receiver)，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)的基本工作原理是：輸入交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓變?yōu)橹绷麟?，之后通過(guò)高頻逆變器進(jìn)行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級(jí)線圈，經(jīng)次級(jí)線圈耦合，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)高頻整流濾波后為負(fù)載供電。

圖1 電磁感應(yīng)無(wú)線電能傳輸示意圖

3.2 電磁感應(yīng)式電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

電磁感應(yīng)式電能傳輸主要用于：醫(yī)療儀器；手機(jī)、MP3、藍(lán)牙耳機(jī)、家用電器、電腦等便攜式個(gè)人電子產(chǎn)品的無(wú)接觸式供電；電動(dòng)車輛非接觸供電等。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有名帥公司、海爾的無(wú)尾電視等；國(guó)外有Splash Pads、Power cast、Duracell等公司的產(chǎn)品。

電磁感應(yīng)式電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）發(fā)射、接收線圈的形狀、安裝位置和參數(shù)的設(shè)計(jì)，要盡量保證接收線圈能夠與發(fā)射線圈磁路耦合系數(shù)最大化；

（2）傳輸電路的設(shè)計(jì)。分離式變壓器又稱松耦合變壓器，見(jiàn)圖2。其中，初級(jí)與次級(jí)線圈間存有較大的空氣間隙，其耦合系數(shù)較小，有較大的漏磁，導(dǎo)致電壓增益降低，故限制了能量傳輸?shù)男省?/p>

圖2 分離式變壓器示意圖

為了提高傳輸效率，必須向變壓器的初級(jí)線圈中注入高頻交變電流，以提高變壓器的功率密度。為此，經(jīng)常采用AC－DC－AC電路，即先對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波獲得直流電能，再對(duì)獲得的直流電進(jìn)行高頻逆變，然后將高頻交變電流輸入到變壓器的初級(jí)線圈。

由于發(fā)射電流的調(diào)制頻率越低線圈上的熱損耗越大, 反之調(diào)制頻率越高熱損耗越小。所以，無(wú)接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)要求工作在較高的頻率，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同, 采用的調(diào)制頻率范圍一般在10kHz—500kHz之間。具體涉及到諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、PWM硬開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)、移相全橋逆變器、功率因數(shù)校正等技術(shù)。

由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈在漏感上產(chǎn)生了較大的電壓降，減小了無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)的電壓增益，降低了負(fù)載通過(guò)感應(yīng)耦合獲取電功率的能力，會(huì)增大輸入電流與電壓之間的相位差。因此，必須對(duì)變壓器的初級(jí)與次級(jí)線圈的漏電感進(jìn)行電容補(bǔ)償，常用的補(bǔ)償方式有靜態(tài)電容補(bǔ)償及動(dòng)態(tài)諧振補(bǔ)償。

3.3 典型的電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)

圖3所示為J. T. Boys 提出的典型的無(wú)接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)電路原理圖[1]。系統(tǒng)采用電流型推挽諧振變換器作為高頻逆變器，交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流電壓源，電感L1與電壓源串聯(lián)聯(lián)接，電感L2、L3所構(gòu)成的分相變壓器與功率開(kāi)關(guān)管Q2、Q3一起構(gòu)成電流型推挽變換器，補(bǔ)償電容C2與變壓器初級(jí)線圈L4構(gòu)成諧振槽。在工作過(guò)程中，直流電壓源與電感L1構(gòu)成一恒流源，之后進(jìn)入推挽諧振逆變器進(jìn)行高頻逆變，往諧振槽中注入高頻交變電流。在特定的系統(tǒng)頻率下，原邊發(fā)射線圈與原邊補(bǔ)償電容發(fā)生諧振，從而在原邊線圈中獲得近似的正弦交變電流。該電流在原邊線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，次級(jí)線圈通過(guò)與初級(jí)線圈的互感來(lái)獲取感生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)副邊補(bǔ)償電容C3對(duì)獲取的感應(yīng)電能進(jìn)行一定的感抗補(bǔ)償，可以增強(qiáng)負(fù)載獲取電功率的性能，感應(yīng)電能經(jīng)過(guò)整流濾波之后即可向用電設(shè)備供應(yīng)電能。

圖3 典型的無(wú)接觸電磁感應(yīng)式推挽諧振電能傳輸電路原理圖

4 電磁共振（Resonance technology）方式電能傳輸

4.1 電磁共振式電能傳輸系統(tǒng)的基本工作原理

磁共振傳送方式由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年研制成功，主要是利用物理學(xué)的“共振”原理——兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體能高效傳輸能量，如共振引起的橋面坍塌、雪崩等事例。當(dāng)電源發(fā)送端的振蕩磁場(chǎng)頻率和接收端的固有頻率相同時(shí)，接收端就產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是利用共振來(lái)傳送電能，這里的關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)共振磁耦合”（Highly Resonant Magnetic Coupling）。

4.2 電磁共振式電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

在這項(xiàng)技術(shù)中，發(fā)送端和接收端的線圈被調(diào)校成了一個(gè)磁共振系統(tǒng)，通電后能夠以固定的頻率振動(dòng)。能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響，與電磁感應(yīng)式比較，傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率較高。由此可以看到，傳輸效率與發(fā)送、接收能量單元的直徑相關(guān)，傳送面積越大，傳輸效率越高；傳輸效果與頻率及天線尺寸關(guān)系密切。目前發(fā)射線圈的直徑大且笨重。

圖4 電磁共振式無(wú)線電能傳輸示意圖

4.3 典型的電磁共振式電能傳輸系統(tǒng)[8]

圖5是一款電磁共振式筆記本電腦無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，是利用明天科技公司生產(chǎn)的芯片VOX330MP05S和VOX20K3A做的無(wú)線供電系統(tǒng)。

圖5 電磁共振式無(wú)線電能傳輸發(fā)射電路

圖6 電磁共振式無(wú)線電能傳輸接收電路

圖5中C4、T1和C3組成濾波網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)于電網(wǎng)與發(fā)射電路之間，用來(lái)吸收發(fā)射電路中的諧波反饋到電網(wǎng)上，也可以防止電網(wǎng)上的浪涌電壓對(duì)發(fā)射電路的影響。4個(gè)二極管和C2為整流、濾波電路，直接將220V的市交流電整流得到一個(gè)約300V的直流電壓。這個(gè)電壓經(jīng)L1和C1組成的并聯(lián)諧振回路加到VOX330MP05S的輸出端， DC為一個(gè)12V/100mA的電源轉(zhuǎn)換模塊，為IC1提供工作電壓。

VOX20K3A是一塊5腳厚膜封裝電路，內(nèi)部集中了電磁共振所需要的相位檢測(cè)、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、功率校正等功能。VOX20K3A需要提供一個(gè)5V的工作電壓，工作電流約30mA，可由LM78L05提供。2腳上的硅穩(wěn)壓管決定了整個(gè)電源的輸出電壓，其值為：Vout=DW+1.2V。因此，不同的穩(wěn)壓管將得到不同的輸出電壓，但穩(wěn)壓管必須在9～24V之間選擇。

圖6A1和A2分別為補(bǔ)償輸入和輸出端，C1為輸入電容，L1和L2為兩個(gè)串聯(lián)的接收線圈，也可以用一個(gè)線圈代替，VD1和VD2為整流管，L3、L4及C4～C9為濾波電路，用于減少紋波，穩(wěn)定電壓。

5 電磁輻射方式電能傳輸

電磁輻射式無(wú)線電能傳輸，主要采用微波進(jìn)行電能傳輸。微波的波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線之間的電磁波。由于頻率較高，能順利通過(guò)電離層而不被反射。微波輸電利用電磁輻射原理，由電源送出電力，通過(guò)微波轉(zhuǎn)換器將交流電變換成微波，再通過(guò)發(fā)射站的微波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛嫖⒉ń邮照?，接收到的微波通過(guò)轉(zhuǎn)換器將微波變換成交流電，供用戶使用。其有效傳輸距離為幾km，屬于遠(yuǎn)程傳輸。電磁輻射方式電能傳輸，主要有無(wú)線電波、微波、激光和超聲波等方式。

5.1 無(wú)線電波方式電能傳輸
電能傳輸原理類似于礦石收音機(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)線電波能量，在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。

圖7 無(wú)線電波式無(wú)線電能傳輸示意圖

電波接收型的最大發(fā)送距離長(zhǎng)達(dá)10m, 但是由于磁通向空間全方位輻射，能夠接收的功率很小，只有幾mW至100mW。因此, 其主要用途是在便攜式終端中提供待機(jī)時(shí)消耗的功率。

5.2 微波方式電能傳輸

微波方式電能傳輸?shù)闹饕獞?yīng)用領(lǐng)域是太陽(yáng)能衛(wèi)星，即太陽(yáng)能衛(wèi)星發(fā)電站。該系統(tǒng)主要由四部分組成： ① 將太陽(yáng)能、風(fēng)能和交流電等轉(zhuǎn)變成直流電；② 將直流變成微波，即微波功率發(fā)生器；③ 發(fā)射天線，它將微波能量以聚焦的方式高效地發(fā)射出去；④ 通過(guò)高效的接收整流天線將微波能量轉(zhuǎn)換成直流或工業(yè)用電。

圖8 微波方式無(wú)線電能傳輸示意圖

先通過(guò)磁控管將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉苄问剑儆砂l(fā)射天線將微波束送出，接收天線接收后由整流設(shè)備將微波能量轉(zhuǎn)換為電能。微波方式電能傳輸距離遠(yuǎn)，頻率越高，傳播的能量越大。在大氣中能量傳遞損耗很小，能量傳輸不受地球引力差的影響，但容易對(duì)通信造成干擾、能量散射損耗大，定向性差，傳輸效率低。

目前三菱重工開(kāi)發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共48個(gè)硅整流二極管作為接收天線，每個(gè)硅整流二極管可產(chǎn)生20V的電壓和一定的直流電，能夠?qū)㈦妷禾嵘脸潆娝璧闹笜?biāo)，并可實(shí)現(xiàn)1kW的功率輸出。

5.3 超聲波方式供電

超聲波可通過(guò)壓電材料的逆壓電效應(yīng), 方便的轉(zhuǎn)化成電能?；趬弘姴牧系某暡o(wú)線電能傳輸系統(tǒng), 如圖9所示。

圖9 超聲波式的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

圖中，發(fā)射模塊包括主電路（包含匹配電路、整流電路和逆變電路）和控制電路，匹配電路起阻抗變換，提高電路輸出功率和效率的作用；整流和逆變電路則可將交流電轉(zhuǎn)化成其他頻率的電流；控制電路通過(guò)閉環(huán)反饋，控制主電路功率管的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)主電路與壓電換能器的機(jī)電共振。接收模塊的壓電換能器通過(guò)接收超聲波，經(jīng)逆壓電效應(yīng)得到的高頻交流電，再經(jīng)整流后就可供給用電設(shè)備使用。

5.4 典型的電磁輻射式電能傳輸系統(tǒng)

圖10 William C.Brown 微波傳輸電能原理圖

該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制微波源在2.45GHz頻段輸出（5～200）W的功率；微波源輸出的能量通過(guò)同軸電纜連接至和波導(dǎo)管之間的適配器上；環(huán)型波導(dǎo)管的作用是使波導(dǎo)管和發(fā)射天線匹配。發(fā)射天線包含8個(gè)部分,每個(gè)部分上都有8個(gè)縫隙。這64個(gè)縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開(kāi)槽波導(dǎo)天線很適合用于無(wú)線電能傳輸，因?yàn)樗懈哌_(dá)95%的孔徑效率和很高的能量捕捉能力。整流天線用來(lái)收集微波并把它轉(zhuǎn)換成直流電。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有無(wú)線連接、安全、可動(dòng)態(tài)持續(xù)供電等優(yōu)點(diǎn)，尤其在特殊和惡劣環(huán)境，如給移動(dòng)設(shè)備供電，高壓、易燃、易爆場(chǎng)合，水下等應(yīng)用廣泛。尤其是在能源緊缺的時(shí)代，利用太空取之不盡的環(huán)保能源---太陽(yáng)能是首選。無(wú)線傳輸技術(shù)的利用必將對(duì)人類傳輸電能、利用電能以及其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

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[8] 筆記本電腦無(wú)線電源的DIY制作