無線電能傳輸

1、無線電能傳輸技術(shù)目 錄CONTENT01 | 背景介紹02 | 基本結(jié)構(gòu)與工作原理03 | 技術(shù)應(yīng)用研究04 | 發(fā)展趨勢(shì)0 1PA R T O N E4在三體小說里，描繪了未來世界的場(chǎng)景。在那個(gè)世界里也沒有煩人的插座和各類充電接口，在那個(gè)世界里汽車飛機(jī)以及手機(jī)，全都是電動(dòng)的，但是不需要充電也不擔(dān)心續(xù)航的問題。所有電器沒有任何多余的插電線或充電口。大氣圈內(nèi)到處都有能量可用。人類經(jīng)過研制出可控核聚變技能，獲得了近乎無限的“燃料”，不用擔(dān)心能量的損耗，所以能夠遍及無線電能傳輸技術(shù)。5無線電能傳輸技術(shù)這一概念的提出最早可以追溯到19世紀(jì)末期。1893年，Nikola Tesla在芝加哥舉行的世界博覽

2、會(huì)上首次展示了通過無線方式供電的熒光照明燈。1893年Tesla向外展示無線傳輸原理無線電能傳輸(wireless power transfer, WPT)，是一種通過電磁效應(yīng)或者能量交換作用實(shí)現(xiàn)從電源到負(fù)載無電氣接觸地進(jìn)行電能傳輸?shù)男滦洼旊姺绞剑啾葌鹘y(tǒng)導(dǎo)線輸電方式，其具有安全可靠等優(yōu)點(diǎn)， 尤其適用于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，因此受到了越來越廣泛的關(guān)注。62007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology) MIT)的Marin Soljacic教授等人基于磁耦合諧振原理在中等距離無線電能傳輸方面取得了新進(jìn)展。他們“隔空”點(diǎn)亮了1盞離電源2m開

3、外的60W燈泡，效率達(dá)到了40%，并在Science雜志上發(fā)表了其研究成果，引起了世界轟動(dòng)。隨后，世界各地的研究人員對(duì)無線電能傳輸開展了越來越多的研究。MIT無線電能傳輸裝置和實(shí)驗(yàn)組成員0 2PA R T T W O8無線電能傳輸分類無線電能傳輸電磁輻射式無線電波激光電場(chǎng)耦合式磁場(chǎng)耦合式諧振式感應(yīng)式超聲波等91. 磁感應(yīng)耦合式 WPT從電網(wǎng)輸入的工頻交流經(jīng)過整流逆變后轉(zhuǎn)換成高頻交變電流，并輸入到可分離變壓器的原邊繞組，在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)耦合作用下將電能傳輸?shù)娇煞蛛x變壓器副邊，而得到的高頻交變電流經(jīng)電流調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成負(fù)載需要的工作電流，以達(dá)到為負(fù)載供電的目的。101. 磁感應(yīng)耦合式 WPT磁感應(yīng)

4、耦合式 WPT 系統(tǒng)在不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)條件下有不同的等效電路模型，根據(jù)等效電路建立方程組，便可得到系統(tǒng)的傳輸特性函數(shù)。112. 磁耦合諧振式 WPT利用兩個(gè)具有相同諧振頻率且具有高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈以某一特定頻率工作時(shí)，在與之相距一定的距離的接收線圈通過分布式電容與電感的耦合作用，產(chǎn)生電磁耦合諧振，高頻電磁能量在兩線圈之間發(fā)生大比例交換，當(dāng)接收線圈上接有負(fù)載時(shí)，負(fù)載會(huì)將一部分能量吸收，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。122. 磁耦合諧振式 WPT根據(jù)電路理論建立等效電路的回路 KVL 方程組，求解方程組可得到傳輸功率和傳輸效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而對(duì)磁耦合諧振式WPT 系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行理論

5、分析。133. 微波輻射式 WPT微波功率發(fā)生器將直流轉(zhuǎn)換成微波能量，并由發(fā)射天線聚焦后向整流天線高效發(fā)射， 微波能量經(jīng)自由空間傳播到整流天線，并經(jīng)過整流天線的整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流功率后，給負(fù)載供電。144. 激光方式 WPT激光發(fā)射模塊發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，激光束通過光學(xué)發(fā)射天線進(jìn)行集中、準(zhǔn)直整形處理后發(fā)射，并通過自由空間到達(dá)接收端，且經(jīng)過光學(xué)接收天線接收聚焦到光電轉(zhuǎn)換模塊上完成激光電能的轉(zhuǎn)換。0 3P A R T T H R E E16高通在寶馬i8上搭載無線充電技術(shù)海爾的無尾電視蘋果手機(jī)的無線快充MIT螺旋式無線電能傳輸樣機(jī)17磁耦合諧振式無線電能傳輸(magnetically-coup

6、led resonant wireless power transfer, MCR-WPT)利用諧振原理，使得其在中等距離（傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍)傳輸時(shí)，仍能得到較高的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響。相比于感應(yīng)式，該方法傳輸距離較遠(yuǎn);相比于輻射式，其對(duì)電磁環(huán)境的影響較小，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)， MCR-WPT得到越來越多的研究。18植入式電子裝置1.植入式刺激器2.植入式電子測(cè)量系統(tǒng)3.植入式藥療裝置4.植入式人工器官及輔助裝置心臟起搏器、除顫器膠囊內(nèi)窺鏡植入式注射泵人工心臟、人工耳蝸 目前市面上的一些植入式醫(yī)學(xué)電了裝置均采用鋰電池供電，這種內(nèi)置電

7、池供電方式的最大缺點(diǎn)就是使用壽命的限制，一旦電池能量耗盡，人們只能通過再次手術(shù)來更換電池，而有些患者由于年事已高或者其他原因不宜再次手術(shù)，即使可以手術(shù)也會(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。19無線電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn)非常適用于醫(yī)學(xué)式植入式電子器件領(lǐng)域：只有當(dāng)接收線圈存在且與發(fā)射接收線圈具有相同的諧振頻率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，而非該特定頻率的物體則基本不受影響。由于該技術(shù)屬于近場(chǎng)無損非輻射諧振耦合，相比于電磁感應(yīng)、體導(dǎo)電等方法，它具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和更高的傳輸效率。 該技術(shù)在能量傳輸?shù)倪^程中不受非導(dǎo)磁性障礙物的影響，這就表示它具有一定的穿透力，可以應(yīng)用于譬如生物組織內(nèi)部等視線達(dá)不到的地方。20 2011年，美國(guó)華盛頓大

8、學(xué)、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與英特爾宣布，利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)，共同試制出了植入式人工心臟使用的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一般的直徑為數(shù)十厘米諧振線圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在人工心臟上安裝了直徑4.3cm的接收線圈，并且將其放入模擬人體組織環(huán)境的容器中，對(duì)能否從容器外部供電進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，能夠以80%的傳輸效率穩(wěn)定施供電。如果把該技術(shù)與容量可為人工心臟供電約2個(gè)小時(shí)的蓄電池組合使用，電源線就無需探出體外感染的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)因此而驟降。而且，在蓄電池未耗盡期問，患者還可以取下電源系統(tǒng)，可淋浴、可在泳池游泳。而且該技術(shù)將不僅限于人工心臟，在其他的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也會(huì)有較為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)兩所大學(xué)與英特爾試制成功人工心臟無線供電系統(tǒng)21植入式人工心臟無線電能傳輸臨床試驗(yàn)中出現(xiàn)了幾大問題： 線圈方位敏感 環(huán)境參數(shù)敏感 植入性和便攜性難題 電磁兼容問題 如果上述問題得不到妥善解決，就無法在患者自由活動(dòng)的情況下提供可靠而持續(xù)的無線電能傳輸，患者體內(nèi)就需要植入備用電池，無線電能傳輸可能就失去其優(yōu)勢(shì)。到目前為止，基于磁耦合諧振的人工心臟無線電能傳輸系統(tǒng)