无线功率传输技术

无线功率传输技术

Wireless Power Transmission

Technology

在不久的将来，无线充电将大规模的进入商用时代；而我们的生活方式也将随发生改变，高效、快捷、方便的无线充电时代即将到来。

注：本文档由中北大学徐方良总结整理，仅供学习交流；疏漏和不足之处还望批评指正。

无线功率传输的四种主要方式

1 电磁感应式无线功率传输

1.1 电磁感应式原理

利用电磁感应原理，类似于变压器；在接收和发射端各有一个线圈，电源连接发射端并通交变电流，发射端线圈周围便产生了交变磁场；此时若接收线圈位于此交变磁场中便会产生感应电动势，进而给用电设备供电。电磁感应原理如下图所示。

1.2 电磁感应式研究发展现状

电磁感应式无线充电技术是目前研究和发展最成熟的无线充电技术，并且无线充电联盟（WPC）已经完成了传输功率小于的行业标准也正在制定中，目前多家公司也正在面向汽车行业研究开发更大功率的电磁感应式无线充电技术。目前成熟应用于商业产品的多为小功率产品，如图1.2

实现商用的多是小功率产品，在120W的大功率用电设备中的使用还处于研发和样机试验阶段。图给出的是少量实现商用或者是还处于试验阶段的样机。

1.3 电磁感应式无线充电技术的优劣

优势：a) 短距离传输效率高；

b) 操作简易而且规模容易控制；

c)技术简单。

缺陷：a) 送电距离比较短在数毫米到十几厘米之间（电磁感应式的最大缺点）；

b) 输电过程中对原副线圈同轴度要求较高，否则输电效率会急剧下降；

c) 需要考虑散热问题。

如图2.1所示，送电线圈和受电线圈是两个相同的线圈，在送电线圈通上与线圈固有频率同频的交流电时，受电线圈也将感应产生相同的频率交流电流（两个在磁场中共振的线圈在谐振状态下课进行能量交换）。

定量研究了磁共振耦合理论，并且以米之外的一盏60W的灯。

耦合模理论

磁共振式无线功率传输实验原理简图

如图所示，连接A的为一射频源，电源接通后在圆环上将产生一高频交变电流，从而在A附近存在交变的磁场。因而在距离内将产生感应电动势，在线圈内将

I(t)= 其电流I随S的变化曲线如图2所示。当源线圈电流变化频率等于线圈的固有频率时，将引起设备线圈D的共振（S、D为相同且同轴放置的线圈）；设备线圈的内的交变电流将会在其附近产生一个交变的磁场，

的磁通量发生改变，从而产生了感应电动势，进而驱动负载（

图2.4所示的为一辆运用磁共振原理进行充电的试运营电车。

运用磁共振式无线功率传输的新型电车

环境的影响也相对较小；

c) 传输效率（75%以下）相对适中，在将来可以通过技术将传输效率进一步提高；

d) 两共振线圈并不一定要求同轴布置，对线圈的位置要求没有磁共振那样高。

技术难点：小型、高效率化比较难，现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在2m左右的距离提供60w的功率。

2.4 电磁感应式与磁共振式无线功率传输对比

从图中可以看出电磁感应式无线功率传输的两线圈距离较近，并且要求两线圈同轴布置；而磁共振式两线圈距离稍远并且不要求两共振线圈同轴布置。

3 电场感应式

3.1 电场耦合式无线功率传输原理

电场耦合方式的无线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。

其基本原理为：

3.2 电产耦合式无线功率传输研究现状

村田制作所的电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。村田制作所的方法的特点在于非对称偶极子，需要两组电极。村田制作所将其称为active electrode passive electrode主要起着接地作用。系统通过组合这些电极来传输电力。

如图3.2所示首先由放大器略微提高电

压，然后通过升压电路一举提高至

3.3 电场耦合式无线功率传输的优势和技术难点

优势：a)电极薄，因而易嵌入其他产品；

b) 充电时可实现位置自由

子而产生的感应电场来传输电力，具有抗水平错位能力较强的特点。);

c) 电极部的温度不会上升。因此不仅能够提供便利性，而且还可降低系统成。

技术难点：电场耦合方式今后将被逐渐嵌入机器中。届时技术上将有三个观点变得尤为重要：①无线干扰对策、②安全对策、③向多台机器供电。另外，在将其小型化过程中变压器的小型化是技术难点。

4.2 无线电波式无线功率传输的研究现状

Powercast公司研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。

日本的龙谷大学发布了一项技术成果：移动式无线充电系统，当时就是使用的频率

是用实车进行的，而是用的一个警车模型，通过微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯，如图

4.3 无线电波式无线功率传输的优劣

优势：a)可实现远距离小功率无线功率传输；

b)可随时随地充电。

缺陷：a)转换效率低；

b)充电时间长（由于传输功率小）。

5 无线功率传输总结与展望

5.1 总结

一般来说，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且现在在电动汽车上有实际应用；电磁感应式非接触充电系统存在以下三方面的问题：（1）送电距离比较短，

磁场共振方式，则是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式；磁场共振式供电，目前技术上的难点是，小型、高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在的电力。

电磁波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”，可以从根本上解决电力问题。

设计最难的部分在于安全。因为无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量，有两大问题，一是长期发射，长时间下会造成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识”，当正确的目标放置时才送电。侦测装置的方法比如：（）磁力激活：受电端装磁铁，发射

）感应线圈上的资料传送，也是认为

原理一样，电力传送中识别码一起传送和验证。但解决系统噪声和

无线供电，使得电动汽车可以提供这么一种可能：一辆电动汽车从出厂到它报废为止，终生不用你去理会电力补充问题。电动汽车，在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶技术的支持下，完全可以颠覆现在

N年以后，在高速公路上，车在自动行驶，而汽车、电脑、手机需要的所有电力都来自从路面下铺装的供电系统、或者来自汽车上的接收装置接收的电磁波。随着电动汽车的发展无线充电技术必定有着广阔的利用空间。