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摘要:
介绍了非接触电能传输<
ContactlessPowerTransfer,以下简称CPT)的几种实现方案,重点介绍了感应耦合实现电能非接触传输。
对感应耦合技术的关键问题——高频电流产生及松耦合变压器进行了简单分析,介绍了采用一对PCB螺旋线圈作为松耦合变压器实现手机非接触充电。
最后介绍了CPT技术的应用及发展前景。
关键词:
非接触电能传输,感应耦合电能传输,松耦合变压器
0引言
自1889年开始,美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉便开始展开对于远距离无线传输电能的研究[1],特斯拉采用是高频微波,他在当时曾经预言:
几十年后人类将彻底解决无线输电问题。
但是,经过近百年的发展,无线电能传输的应用还主要停留于军事领域。
但与此相比,信号的无线传输技术在几十年内得到突飞猛进的发展。
现在无线通讯网络几乎已覆盖世界的每个角落,进入人类的每个家庭。
在解决信号的无线传输问题后,近年来,无线电能传输问题又重新得到世界科技工作者的广泛关注。
1非接触电能传输实现方案
非接触电能传输技术泛指一切借助某种载体实现无直接电气接触的电能传输技术,目前研究最广泛的是基于电磁场近场耦合原理的CPT技术[1]。
与传统的接触式电能传输方式相比,非接触电能传输方式具有高安全性、高可靠性的特点,因此成为电能传输领域的一大研究热点。
非接触电能传输技术是基于电磁感应原理通过高频磁场进行能量交互的,它综合应用了电力电子技术、磁场耦合技术和现代控制理论,通过初级回路和次级回路线圈间的磁场耦合实现电能从电源系统以非电气直接接触的方式向一个或多个用电设备(包括可移动用电设备>
传输电能。
目前实现非接触电能传输主要有以下几种方案:
1.1无线电波实现电能非接触传输
无线电波充电的基本原理类似于早期使用的矿石收音机[2]。
美国PowerCast公司利用这一原理开发了一款充电器,可为各种电子产品充电或供电,诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器,甚至汽车零部件和医疗仪器。
整个系统主要包含了两个部件,称为PowerCaster的发射器模块和称为PowerHarvester的接收器模块,前者可插入在插座上,后者则嵌入在电子产品上。
该充电器的微型高效接收电路,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实现将无线电波转化成直流电,在约5M范围内为不同电子装置的电池充电。
1.2微波实现电能非接触传输
一般应用在较大的空间,很多前人提出了很多的方案。
在1980年,加拿大的通信研究中心制造了一架小型飞机,这种飞机能够接收从地面而来的能量源。
利用这一能量,这架小飞机能够以21公里海拔的高度,在2公里的范围内飞行。
最重要的是,这架飞机能够一次飞行数个月的时间。
长时间飞行的秘密就在于地面上有一个大型微波发射器,机身上也有一个圆型的硅整流二极管天线,能够将接收到的微波转换成直流电[2]。
1.3非辐射性谐振磁耦合实现电能非接触传输
这个方法也称为共振感应耦合,以区别于普通电磁感应耦合,它使用单层线圈,两端放置一个平板电容器,共同组成谐振回路,减少能量的浪费。
由麻省理工学院(MIT>
物理教授MarinSoljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两M外的一盏60瓦灯泡,并将该技术取名为WiTricity[3]。
该实验中使用的线圈直径达到50cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。
因此,他们预计在未来几年内,最终开发出能够安全为笔记本电脑和其它设备充电的非接触充电产品。
1.4感应耦合实现电能非接触传输
最早有关感应电能传输的技术是日本国家研究院与Yaskawa电气公司于20世纪八十年代联合提出来的,到了九十年代初期,新西兰奥克兰大学电子电气工程系电力电子学研究中心以Pro.B0ys为中心的课题小组开始对其展开研究,并将其正式定名为感应耦合电能传输技术(InductivelyCoupledPowerTransfer,简称ICPT>
,即变压器松耦合非接触供电[4]。
在这之后,Pro.Boys及他所领导的课题小组对感应耦合电能传输技术进行了一系列的深入研究,系统地探索了谐振技术在ICPT技术中的应用。
对这几种方案进行分析结合各个方案的原理资料可看出:
1、无线电波充电虽然可对5M范围内的电子设备进行充电但频率要达到900MHz左右才能达到较高效率,通过墙壁进行反射,能量控制较难实现。
2、微波供电方案一般应用在较远距离的非接触供电,在近距离中非接触供电应用成本较高,而且微波发射接收设备很复杂,可行性不大。
3、非辐射性谐振磁耦合技术研究刚开始,存在很多问题。
如充电线圈直径太大,无法商用,对人们佩带的金属质项圈、项链等也会造成影响,以及串扰和线圈方向的问题。
4、变压器松耦合充电采用松耦合变压器实现非接触充电,虽然只能对几厘M范围内设备充电,但只需要500KHz左右的频率,能量控制较简单,效率也可以保证。
综上,变压器松耦合充电是目前实现电能非接触传输的有效方案。
2感应耦合实现非接触电能传输
2.1感应耦合技术实现非接触电能传输的原理
采用感应耦合技术实现非接触电能传输的原理框图如图2.1所示。
图2.1感应耦合技术实现非接触电能传输的原理框图
采用感应耦合技术实现的非接触电能传输系统由初级回路和次级回路两部分构成,这两个回路分别与原级电源系统和用电设备相连接,初、次级通过磁场实现非接触电能传输。
初级回路的作用是将原有电源系统经高频变换后在发射线圈中产生高频电流,次级回路中的拾取机构在初级回路发射线圈附近的变化磁场中拾取能量,经过功率变换器将高频能量转化为用电设备需要的能量形式,从而完成了整个非接触电能传输过程。
通常一路发射线圈可为多个拾取线圈供电,实现多种用电设备的同时供电。
与传统的电源供电系统相比,非接触电能传输系统最大的优势就是能够实现电能的非接触传输,而实现这一过程主要是通过发射线圈和拾取机构之间的磁耦合实现的。
因此,它与变压器的原理相似,但它们之间是有区别的,非接触电能传输系统的导轨线圈与拾取机构有较大的空气磁路,而且是可以移动的。
根据磁路的欧姆定律和安培环路定律,考虑到空气的磁阻远大于磁芯的磁阻,因此磁路的磁动势降主要分布在空气磁路上,随着空气磁路磁阻的增加,就需要在初级回路导轨中产生较大的激励电流,而激励电流的增大一方面会增大电磁机构的体积和质量,另一方面会降低松耦合电磁机构的传输效率。
为了提高系统的电能传输效率,减小器件的体积,提高功率密度,就需要在松耦合电磁机构的初级回路导轨中产生高频电流,通过高频化来提高整个系统的功率密度,减小器件体积,提高电能传输效率。
因此需要在初级回路加入整流及高频逆变环节[5],提高松耦合电磁机构的初级回路导轨电流频率,达到减小系统体积、提高系统的传输功率密度和效率的目的。
2.2高频电流产生
通过查阅文献,高频电流产生分两种情况,大功率场合一般采用高频逆变[6],小功率场合可以采用振荡产生高频电流再进行功率放大。
2.3松耦合变压器分析
2.3.1松耦合变压器特点
系统中的松耦合变压器是重要的组成部分,处于松耦合状态,属于可分离变压器。
同常规变压器一样,松耦合变压器也是应用电磁感应原理实现电能从原边到副边的变换。
不同的是,常规变压器的气隙接近为零,原副边电路可以通过变压器线圈匝比进行电气变换;
而松耦合变压器的原、副边是分离的,气隙大,漏磁大,耦合系数小,能量传输的能力和效率低[7],其原、副边电路电压不符合变压器线圈匝比。
一般变压器与可分离变压器结构示意图见图2.3.1。
图2.3.1变压器示意图
2.3.2互感模型
互感模型是一种描述原、副边绕组电磁耦合关系的电路模型。
该模型使用感应电压和反应电压的概念来描述变压器原、副边绕组的耦合关系。
感应电压和反应电压都通过互感来表达,松耦合变压器的耦合性能较差,处于松耦合状态,原、副边电压不满足绕组匝数比例关系。
因此,用互感模型来表示松耦合变压器的等效电路模型是合适的[8]。
图2.3.2给出了松耦合变压器互感模型的等效电路。
该模型忽略了原、副边绕组的电阻,其中,、分别为原、副边绕组电压;
、分别为原、副边绕组电感;
、分别为原、副边绕组电流;
为系统频率;
为变压器的互感;
为副边绕组电流在原边的反应电压;
为原边绕组电流在副边的感应电压。
图2.3.2松耦合变压器互感模型
由此,可以得到变压器原边绕组端电压为
<
1)
副边绕组端电压为
2)2.3.3参数设计
在非接触感应电能传输系统中,松耦合变压器原、副边电路相互影响。
其电能传输关系由多个参数决定,且这些参数相互制约。
下文对松耦合变压器的耦合系数、补偿拓扑等几个重要参数给出设计方案。
a.耦合系数
变压器原、副边绕组的耦合系数为
3)
耦合系数K表示变压器原、副边绕组的耦合程度,与变压器铁芯材料、绕组的相对位置及气隙大小有关。
b.变压器的铁芯材料
对非接触感应电能传输系统中松耦合变压器的铁芯材料的选择,一般有以下几个要求:
①磁导率要高;
②具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线;
③电阻率要高;
④有足够大的饱和磁感应强度;
⑤磁损率要小;
⑥居里温度要高。
一般,铁氧体、铁镍软磁合金、非晶合金都能满足非接触感应电能传输系统中变压器铁芯材料的要求。
从性能上看,非晶合金总体性能优于其他软磁材料。
非晶合金中的铁基微晶是其中最优的磁性材料。
在选用时,要对成本、性能等进行综合考虑[7]。
c.气隙大小
气隙大小是松耦合变压器耦合系数的关键因素之一。
在非接触感应电能传输系统中,应根据变压器气隙大小和变化范围选取合适的变压器结构和工作状态,使变压器在气隙规定变化范围内,保证耦合系数变化较小,保持较高的耦合系数,这样有利于系统的优化设计和效率的提高。
图2.3.4是样机耦合系数与气隙大小的变化关系[7]。
图2.3.4耦合系数与气隙的关系
2.4补偿理论
无接触感应电能传输系统中,存在着较大的漏电感,限制了其传输的有功功率。
为了尽量减少系统消耗的无功功率,一般采用补偿容抗来平衡电路中的感抗。
原边的补偿电容是为了平衡原边的漏感抗和副边的反应感抗,从而减小感应电源的视在功率,提高感应电源的功率因数。
副边的补偿电容是为了减小副边的无功功率,增大感应电源的输出功率[8]。
基本的补偿拓扑有电容串联补偿和电容并联补偿两种形式。
若原、副边分别采用串联或并联补偿方式,则系统的补偿拓扑方式共有4种:
串联-串联补偿拓扑、串联-并联补偿拓扑、并联-串联补偿拓扑并联并联补偿拓扑见图2.4.1所示。
图2.4.1原副边补偿拓扑
2.5采用PCB螺旋电感线圈来制作松耦合变压器
文献[9]介绍了将初、次级绕组分别印制在两块印刷电路板上,从而可使手机的厚度、大小和重量大大减小,文献[10]提及了手机的无接触充电。
此类设备无接触供电的方案为:
初级绕组和高频电源放置在充电器中,充电器可以与普通的电压线相连,次级绕组与整流器和电池置于设备中,充电器和电气设备都由塑料盒子封装。
当把设备放进充电器时,初、次级绕组相互对正,充电过程开始。
这类无接触供电应用的共同点是:
体积小、重量轻、可靠性高;
可以控制电池充电,保证充电正常、安全。
3CPT技术的应用
在轨道交通、航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品等场合,非接触感应电能传输技术有着广泛的应用前景[11]。
非接触感应电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷,是一种有效、安全的电能传输方法。
新型无接触供电系统的研究应用领域广泛,传输功率相差较大,小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率的供电,大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上
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