電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)綜述

電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)綜述

正在充電的動(dòng)態(tài)能源能源類型包括直接充電和公共充電。接觸式充電采用插頭與插座的金屬接觸來(lái)導(dǎo)電;無(wú)線充電或稱無(wú)線供電WPT(WirelessPowerTransmission),是以耦合的電磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞。對(duì)于電動(dòng)車用無(wú)線充電,即將變壓器原、副邊繞組分置于車外和車內(nèi),通過(guò)高頻磁場(chǎng)的耦合傳輸電能。對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的巨大需求使得相關(guān)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用相當(dāng)活躍。典型的應(yīng)用包括新西蘭國(guó)家地?zé)峁珗@的30kW旅客電動(dòng)運(yùn)輸車、美國(guó)洛杉磯的無(wú)線充電移動(dòng)充電實(shí)驗(yàn)公路,以及韓國(guó)銷售的配有車載無(wú)線充電手機(jī)充電器的寶馬7系列轎車等。日產(chǎn)聆風(fēng)、雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)和三菱CA-MiEV概念車均擬應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)。無(wú)線傳感器技術(shù)和原理1.視頻監(jiān)控系統(tǒng)電磁感應(yīng)式無(wú)線充電是一種基于電磁感應(yīng)原理、利用原、副邊分離的變壓器進(jìn)行較近距離無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)目前已商業(yè)化,廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品及大功率無(wú)線供電系統(tǒng)。另一方面,電磁感應(yīng)式無(wú)線充電還存在一系列問(wèn)題:傳輸距離較短,一旦距離增大,效率急劇下降;當(dāng)非接觸變壓器的原邊與副邊橫向偏差較大,即發(fā)生錯(cuò)位時(shí),傳輸效率明顯下降;此外,如果原/副邊之間有異物進(jìn)入,將會(huì)產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致發(fā)熱。2.功率60w仿真電磁共振式無(wú)線充電,是美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究小組在2007年提出的突破性技術(shù)。他們使用一對(duì)具備LC電路特性的線圈(變壓器)在距離2m處,成功點(diǎn)亮了一個(gè)功率60W的燈泡。該技術(shù)成功解決了電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)存在的問(wèn)題——即使變壓器的原、副邊繞組相互垂直時(shí),電路仍能高效輸出;該技術(shù)利用磁場(chǎng)“共鳴”方式,只需合理設(shè)置激勵(lì)頻率,即可向指定電器供電,安全性得到提高。電磁共振式無(wú)線充電實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的高效率耦合和中等距離能量的高效傳遞,是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。然而,目前主要為實(shí)驗(yàn)研究,缺乏對(duì)應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)有定量指導(dǎo)意義的研究成果。已知利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)淖畲蠊β蕿?00W,尚未用于電動(dòng)車充電。3.微波方式充電系統(tǒng)所謂無(wú)線電波式無(wú)線充電,就是以微波(頻率在300MHz～300GHz之間的電磁波)為載體在自由空間無(wú)線傳輸電磁能量。利用微波源將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?由天線發(fā)射,經(jīng)長(zhǎng)距離的傳播后再由天線接收,最后經(jīng)微波整流器等重新轉(zhuǎn)換為電能使用。由于電磁波全向輻射,電磁場(chǎng)能量隨距離增加而迅速減小,因此該方式并不太適合于功率傳輸場(chǎng)合;且因其頻率高,帶來(lái)的系統(tǒng)損耗使微波無(wú)線充電的傳輸效率進(jìn)一步下降。三菱重工嘗試開(kāi)發(fā)基于微波的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng),其能量傳輸效率僅有38%。目前可查采用微波方式向電動(dòng)汽車無(wú)線供電的最高變壓器效率為76%,傳輸距離為90mm。由此可見(jiàn),該技術(shù)并不適合于大功率、中等傳輸距離的電動(dòng)車充電。綜上所述,在中等距離場(chǎng)合,電磁感應(yīng)式無(wú)線充電和電磁共振式無(wú)線充電的傳輸效率較高,更適合于電動(dòng)車充電。電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)1.頻率特性研究非接觸變壓器漏感大、激磁電感小。要提高轉(zhuǎn)換效率,逆變器和整流電路中應(yīng)加入多元件諧振網(wǎng)絡(luò),對(duì)漏感、激磁電感分別補(bǔ)償。有研究者基于互感模型和基波分析法,對(duì)外加兩個(gè)電容、四種補(bǔ)償方式(簡(jiǎn)稱為串/串、串/并、并/串、并/并補(bǔ)償)的頻率特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,指出:副邊串聯(lián)補(bǔ)償,輸出特性類似于電壓源;副邊并聯(lián)補(bǔ)償,輸出特性類似于電流源,對(duì)負(fù)載變化不敏感,但輕載環(huán)流較大。2.控制策略的選擇與普通諧振轉(zhuǎn)換器類似,非接觸諧振轉(zhuǎn)換器也有變頻、恒頻脈沖寬度調(diào)制(PWM)、鎖相環(huán)控制等多種控制方法。要實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換和有效控制,控制策略應(yīng)兼顧軟開(kāi)關(guān)、低環(huán)流、恒壓或恒流控制,難度較大。對(duì)于大功率轉(zhuǎn)換,可采用非接觸諧振轉(zhuǎn)換器及DC/DC兩級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),由DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)輸出,非接觸諧振轉(zhuǎn)換器采用鎖相環(huán)控制保證低環(huán)流和軟開(kāi)關(guān)。3.非接觸和變壓器非接觸變壓器是非接觸充電器中的核心元件,圖5～圖6給出目前電動(dòng)汽車的兩種非接觸充電方式和對(duì)應(yīng)的非接觸變壓器結(jié)構(gòu)示意圖:①適于人工操作的手持插入式充電,SAEJ-1773給出其變壓器方案,如圖5(b)所示,并用于通用EV1車型。將變壓器原邊繞組和部分磁芯(嵌在中部)作為可活動(dòng)的手持部分,當(dāng)手持部分插入磁芯間隙,則構(gòu)成變壓器;且原邊被副邊繞組夾繞,實(shí)現(xiàn)了“非接觸”和變壓器的緊耦合。由于該變壓器的耦合系數(shù)k高,易于實(shí)現(xiàn)高效率——輸出功率1kW時(shí),DC-DC轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%。該方案利用手持部分,使充電站與電動(dòng)汽車無(wú)電氣連接,但實(shí)際充電時(shí)變壓器的原、副邊仍為緊耦合,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或移動(dòng)充電,不能起到應(yīng)用無(wú)線充電減少電動(dòng)車蓄電池能量和汽車自重的作用。②全分離型充電方式,如圖6所示,這種方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和移動(dòng)充電,是理想的非接觸充電方式。靜止充電用變壓器的氣隙通常在10～50mm,移動(dòng)充電用變壓器的氣隙可達(dá)到150mm,甚至更大。根據(jù)對(duì)圖5(b)所示結(jié)構(gòu)的變壓器的分析結(jié)果,磁芯橫向尺寸與氣隙比值L/g越大k越高。由于g相對(duì)較大,這種非接觸變壓器的k較低,變壓器及轉(zhuǎn)換器效率較低,一般系統(tǒng)效率低于70%甚至小于50%。目前可查最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:輸出功率2kW,系統(tǒng)效率為82%。補(bǔ)償電路和控制策略雖然能有效降低電路的無(wú)功損耗和開(kāi)關(guān)損耗,卻對(duì)提高變壓器的效率無(wú)能為力。因此,提高變壓器耦合系數(shù)k成為提高電磁感應(yīng)式非接觸轉(zhuǎn)換器效率的關(guān)鍵所在。為了提高k,以增大磁芯體積和重量為代價(jià),但過(guò)大的體積重量削弱了其實(shí)用價(jià)值。如何提高變壓器的k,并減小其體積重量,成為無(wú)線充電技術(shù)的研究難點(diǎn)。關(guān)于提高無(wú)線傳感器效率的技術(shù)研究1.多層磁通耦合優(yōu)化要提高非接觸變壓器的能量傳輸效率,可從兩方面進(jìn)行:一是提高非接觸變壓器的耦合系數(shù);二是解決移動(dòng)充電系統(tǒng)中的“磁通分布不均”問(wèn)題,使得不同位置的車輛均能得到有效的磁通耦合,提高系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率。(1)提高非接觸變壓器耦合系數(shù)圖7所示的變壓器,磁芯結(jié)構(gòu)通過(guò)增加原副邊磁芯正對(duì)面積,提高全耦合磁通的比例,提高了耦合系數(shù);將磁芯邊沿的擴(kuò)展部分限制在邊柱的底部,因而在獲得高耦合系數(shù)的同時(shí)顯著降低變壓器的體積重量,相同測(cè)試條件,相近的k,磁芯重量從122g減小到約60g。此結(jié)構(gòu)的新型非接觸變壓器用于小功率的人體植入式非接觸電能傳輸系統(tǒng),該優(yōu)化思路同樣適用于大功率電動(dòng)汽車無(wú)線供電。與常規(guī)變壓器相比,非接觸變壓器的磁芯主要用于約束磁通,提高磁通耦合能力。但磁芯的加入,必然使變壓器的重量大大增加。為此,研究人員直接使用空心變壓器傳輸能量,輸出功率2kW、傳輸距離15cm時(shí),系統(tǒng)效率為82%,但此空心變壓器的體積遠(yuǎn)大于磁芯變壓器。(2)移動(dòng)充電系統(tǒng)的高效率耦合問(wèn)題要實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式移動(dòng)充電,可在馬路下層鋪設(shè)非接觸變壓器的原邊線圈,利用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)車體上的副邊電路接受電能并在行駛過(guò)程中對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。移動(dòng)供電系統(tǒng)面臨著“磁通分布不均”的問(wèn)題,不同位置、不同方向的磁通耦合效率不同。香港城市大學(xué)的S.Y.RonHui教授利用多層PCB繞組,通過(guò)磁場(chǎng)的“交錯(cuò)”巧妙的解決了“磁通分布不均的問(wèn)題。又提出由集中繞組和螺旋繞組構(gòu)成復(fù)合繞組,將兩種磁通分布特性不同的繞組結(jié)構(gòu)組合,使得充電平臺(tái)中的磁場(chǎng)均勻分布。此外,針對(duì)移動(dòng)式充電所用大原邊面積、小副邊面積的變壓器結(jié)構(gòu),為減小激勵(lì)磁場(chǎng)總能量和相關(guān)損耗,可將大面積的變壓器原邊分區(qū),以“區(qū)域激勵(lì)”方式控制次級(jí)側(cè),每個(gè)區(qū)域可單獨(dú)控制。當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)汽車位于某個(gè)區(qū)域的上方時(shí),就將那個(gè)位置的線圈激活;停止使用后,該區(qū)域自動(dòng)終止“原邊激磁”,以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。圖8給出電動(dòng)汽車“區(qū)域化激磁方法”的概念示意圖。2.共振式無(wú)線充電新技術(shù)研發(fā)大氣隙條件下,變壓器k可提高的空間有限,靠提高k來(lái)進(jìn)一步提高變壓器和系統(tǒng)的效率比較困難。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員提出的“強(qiáng)耦合”電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)打破了變壓器傳輸效率依賴于耦合系數(shù)的傳統(tǒng)思路,給無(wú)線充電技術(shù)帶來(lái)了突破。實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)半徑30cm的螺旋線圈,在9.9MHz的頻率下進(jìn)行能量傳輸,相隔2m傳輸60W功率,效率約為40%,而此時(shí)的耦合系數(shù)小于1%。電磁共振式無(wú)線充電為低耦合系數(shù)下高效能量傳輸提供了全新的思路。若成功用于電動(dòng)車充電,可帶來(lái)顯著的效率提升,并使得移動(dòng)充電更加方便,是無(wú)線充電技術(shù)的重要發(fā)展方向。相對(duì)于感應(yīng)式移動(dòng)充電系統(tǒng),共振式的傳輸距離更遠(yuǎn),且可實(shí)現(xiàn)空間全方位的電能傳輸。2009年,日本昭和飛機(jī)工業(yè)描繪出電磁共振式非接觸移動(dòng)充電系統(tǒng)的理想藍(lán)圖。在道路或護(hù)欄上安裝“變壓器”原邊,在電動(dòng)汽車上安裝“變壓器”副邊,則行駛過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)非接觸充電。華南理工大學(xué)對(duì)電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行了跟蹤研究:認(rèn)為電磁共振式無(wú)線充電是常規(guī)蓄電池感應(yīng)式無(wú)線充電的特例,并用互感模型對(duì)“變壓器”建模,對(duì)轉(zhuǎn)換器效率進(jìn)行了細(xì)致的分析,推導(dǎo)了最大效率的負(fù)載匹配條件和互感要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也對(duì)電磁共振式無(wú)線充電進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模型研究,實(shí)現(xiàn)了50W功率傳輸,效率達(dá)到60%。盡管共振