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无线电能传输技术展望东南大学电气工程学院黄学良黄学良东南大学电气工程学院院长、教授、博士生导师江苏省电工技术学会副理事长兼秘书长江苏省电机工程学会电力环保专委会副主任委员江苏省电机工程学会理论电工及应用专委会主任委员江苏省计量协会电磁测量专委会委员中国电机工程学会理论电工专委会委员江苏省电机工程学会电机电器专委会委员报告内容Ø无线电能传输综述Ø无线电能传输实现方式Ø主要应用领域及前景展望Ø课题组成果介绍Ø无线电能传输综述背景意义无线电能传输技术（WirelessPowerTransferTechnology）又称无接触电能传输（ContactlessPowerTransmission，CPT）技术早在1890年，由著名电气工程师（物理学家）尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)提出。太多的电线插座给人们的生活带来不便背景意义背景意义背景意义无线传感网络如此多的节点如何解决电池问题？无线电能传输的发展历史1.19世纪30年代，迈克尔•法拉第发现，周围磁场的变化将在电线中产生电流。2.19世纪90年代，尼古拉•特斯拉提出无线电力传输的构想。3.香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出“无线电池充电平台”，需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。无线充电联盟4.2007年，美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）等人在无线电能传输方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60瓦的灯泡。MIT小组隔空点亮灯泡5.2008年12月17日成立无线充电联盟（WirelessPowerConsortium），2010年8月31日，无线充电联盟在北京正式将Qi无线充电技术引入中国。2010年1月，在美国CES展览会上，海尔公司推出了“无尾电视”2009年，TI和Fulton（eCoupled技术）公司合作开发电源芯片用于控制非接触式充电Powermat公司展示了为不同电子产品进行无线充电的设备6.最近，有几家公司已经生产出无线充电的手机、mp3、便携式电脑、电动汽车。Ø无线电能传输实现方式无线电能传输的几种方式电磁感应式（非接触感应式）电能传输电路的基本特征就是原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。无接触变压器电磁感应式根据无接触变压器初、次级之间所处的相对运动状态，新型无接触电能传输系统可分为：分离式、移动式和旋转式，分别给相对于初级绕组保持静止、移动和旋转的电气设备供电。日本三洋推出的任天堂官方授权产品——“Wii遥控器专用非接触式充电套件”。电磁感应式日产魔方电动车电动车采用电磁感应方式充电.即将一个受电线圈装置安装在汽车的底盘上，将另一个供电线圈装置安装在地面，当电动汽车驶到供电线圈装置上，受电线圈即可接受到供电线圈的电流，从而对电池进行充电。目前，这套装置的额定输出功率为10kW，一般的电动汽车可在7-8小时内完成充电。电磁感应式特点:较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；传输距离较短，实用上多在mm级。电磁感应式电磁共振式（又称WiTricity技术）是由麻省理工学院（MIT）物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所（InstituteforSoldierNanotechnologies）的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。电磁共振式电磁共振式电磁感应方式与电磁共振方式比较示意图特点:利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率较高。能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响。传输效果与频率及天线尺寸关系密切。电磁共振式基本原理——类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。无线电波式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。无线电波式Powercast的无线充电平台示意图特点：电波接收型的最大发送距离长达10m,但是由于磁通向空间全方位辐射，能够接收的功率很小，只有几mW至100mW。因此,其主要用途是在便携式终端中提供待机时消耗的功率。无线电波式微波方式微波方式无线输电示意图先通过磁控管将电能转变为微波能形式，再由发射天线将微波束送出，接收天线接收后由整流设备将微波能量转换为电能。微波方式特点：传输距离远，频率越高，传播的能量越大。在大气中能量传递损耗很小，能量传输不受地球引力差的影响微波是波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波，容易对通信造成干扰能量束难以集中，能量散射损耗大，定向性差，传输效率低微波方式光方向性强，能量集中，利用激光可以携带大量的能量，可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。激光方式特点：激光传输波长较短，不存在干扰通信卫星的风险。障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，激光不像微波那样可以闯过云层，射束能量可能中途丧失一半。激光方式超声波电能传输的示意图超声波方式特点：能量束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性，传输损失小。与水、钢铁等材料相比较，在空气中传播时，传输效率较低。超声波方式Ø无线电能传输主要应用领域及前景展望随着电动汽车的快速发展和技术需求，无线输电的特点决定无线输电必将在此领域大有可为。中国新能源汽车政策进程日驶（公里）油耗（L/100Km）电耗（度）日成本（元）年节约（元）CO2减排（吨）传统公交车24027434传统私家车30918纯电动公交车240901309100044纯电动私家车30193.443001.8传统汽车和纯电动汽车节能减排比较传统电动汽车充电模式及其存在的问题传统电动汽车充电模式及其存在的问题1普通充电多为交流充电，电压220V或380V，一次需要8-10小时充满。一个有10个位置的电站一天充30辆汽车，10万辆汽车需多少个充电站？占用多少城市用地？？2快速充电多为直流充电，一次充电需要10-20分钟左右。10分钟左右把35Kw的电池充电完毕大约需要250Kw的充电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍，不可能在家充！一个充电站开4个充电机，功率就能达到“兆瓦”级，是个难题！！3电池更换更换电池，时间短，能保证汽车的正常行驶。电池组标准化比较困难，电池组心问题就难以解决。电动汽车电动汽车无线电力充电示意图。可采用两种方式进行充电a.电磁感应式b.电磁共振式无线充电式充电站设想无线充电式停车场设想日本国土交通省（交通部）于2009年10月在奈良市，就针对充电式混合动力巴士组织过两次实际应用实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中。车开上充电台后，当车载线圈对准供电线圈后（重合），车内的仪表板上有一个指示灯会亮，司机按一下充电按钮，就开始充电。电磁感应式充电充电台无线输电可以为便携式电子设备充供电手机、照相机无接触充电统一的充电平台可以为各种电子设备充电，解决了充电线多、接口不统一的问题。医学(医疗器械)轨道交通随着低碳经济的到来，轨道交通将主导未来运输的发展的趋势。目前，采用无线方式为轨道交通供电也是目前的研究热点之一。l矿山机械，机器人，自动导航车等不宜拖带电线的恶劣环境下例如:采油井的抽油机,潜井泵等l还可以用于水下装置例如潜水艇的供电,大大提高潜水艇的隐蔽性特种设备物联网(无线传感网)无线电力传输技术可以有效的解决物联网中的各种传感器供电问题，摆脱大量电池更换的烦恼。微波飞机所谓微波飞机就是以微波作为动力推进运动的无人驾驶的飞行器。它装有微波接收天线和整流器,可把地面和空中供给它的微波能转变成直流电,用来驱动飞机发动机。微波飞机可代替人员担任昼夜不停的边防巡逻警戒任务,也可用于战场监视、预警和目标侦察等。微波飞机与无人驾驶的预警飞机和侦察飞机相比,重量轻、体积小,比一枚导弹的造成价低得多。空间电力输送在宇宙空间接收太阳能与传统的地表接收相比，一方面可以避免地球大气层中的气体和灰尘对阳光的散射、反射与吸收，太阳光辐射强度大，转化效率高；另一方面在地球同步运行轨道上的SPS，一年中有99%都可以进行光电转化，工作时间得到延长，转化的电能容量巨大。Ø当前需要解决的问题电磁辐射安全问题系统整体性能有待提高电磁兼容问题产品推广中的标准统一电磁辐射安全问题对人身安全和周围环境的影响需要解决。由于无线能量的传输既不像传统的供电方式那样可以在传输路径上得到很好的控制也不像无线通讯那样传送微小的功率。高能量的能量密度势必会对人身安全带来影响，据美国超声协会认定人们身体所能承受的超声波能量密度也仅为100mW/m2。人们对电磁波的承受范围为100mW/m2，激光则在功率密度小于2.5mW/cm2才能保证对人体无伤害。所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害。电磁兼容性无线电能传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求系统本身具有较高的电磁兼容指标。系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。所以，在遇到电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉，重叠等造成不必要的电磁干扰。系统整体性能有待提高传输效率普遍不高。目前无线电能传输技术整体上传输的效率不高，主要原因是能量的控制比较困难，无法真正实现能量点对点的传送在传输的过程中会散射等损耗一部分能量，能量转换器的效率不高也是影响整个系统效率的关键因素。当然随着电子技术的不断进步，传输的效率也会逐渐提高。传输距离、效率、功率、装置体积之间的关系对于无线电力传输技术中几个关键性的指标：传输距离、传输效率、传输功率、装置体积等。一般情况下，传输距离越近、装置体积越大、传输效率就越高、传输功率就越大。如何尽可能地减小装置体积、提高传输距离、效率和功率是无线输电技术重点研究的方向之一。也是小功率设备实现无线充电的前提。产品的标准化问题：是解决产品推广的关键！作为无线充电行业唯一的技术标准，QI无线充电标准包括界面定义、表现要求、认证测试三个组成部分，只有获得认证的产品才能允许使用QI标识。目前，工业和信息化部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。据悉，工业和信息化部通信电磁兼容质量监督检验中心隶属于国家通信计量站，承担着通信设备与其它有关设备的电磁兼容质量监督检验任务。无线充电联盟于2008年12月17日成立，主推国际无线充电标准QI。联盟现有成员企业包括诺基亚、飞利浦、三星电子、索尼爱立信等50多家公司。Ø课题组成果介绍A电磁谐振式耦合系统框架图三点式振荡电源+螺旋式发射天线振荡电路元件数量少，容易实现，但频率调节较为麻烦。在输出功率方面可采用大功率的电子三极管来提高功率，可有效输出功率达几百瓦。PCPLFCdC发射线圈是为了产生一个变化的磁场，螺旋天线比拉杆天线更容易产生一个磁场，所以采用螺旋发射天线。目前课题组已发表高水平论文多篇，正在向大功率、长距离、高效率无线输电方向研究。B超声波方式:原理图'eM'eC'eR0'R0'C'nC'nR'nM1:'n''eM''eC''eR''nR''nC''nM0''C0''R'':1n超声波电源采用锁相环比较输入端换能器的电流、电压相位，再通过A/D将比较信号输入给DSP，由DSP改变EV模块的输出频率，控制主电路开关管的频率，从而使电源工作频率和换能器共振频率达到一致，实现电共振。换能器模块换能器采用了纵-弯复合模