非接触感应电能传输装置仿真研究文献综述

 2021-09-25 08:09

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一非接触感应电能传输的背景和意义

近几年,使用非接触电能传输技术供电的装置已经逐渐实用化,非接触供电设备逐渐走进我们的日常生活。目前实现非接触电能传输的基本原理主要包括以下三种:1、电磁感应型(electromagneticinductiontype);2、无线电接收型(radioreceptiontype);3、共振型(resonancetype)。电磁感应型即感应耦合型(InductivePowerTransfer,IPT)。90年代初,奥克兰大学以BOY教授为首的课题组对ICPT(InductivelyCoupledPowerTransfer)技术进行了系统的研究经过十多年的努力,该技术在理论和实践上取得了重大突破,包括有关发明专利11项[1]。2001年,国内开始着手研究,技术成果及产品较少,但进步很快。

IPT型功率可达数千瓦,但是两个线圈的距离不能超过1cm。目前已经有一些产品推向市场,包括电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话和净水器等小功率,对安全性和抗干扰性能要求不高的家电产品。

无线电接收型功率低,效率低。已经研制出微型高效接收电路,可以捕捉无线电波能量,在变负载情况下也保持稳定的直流电压。

利用磁场共振原理解决无线电力传输的距离问题是由美国麻省理工学院(MIT)于2007年提出的。MIT研究小组试制了无线电力传输装置磁场耦合共振器(magneticallycoupledresonators),利用一对具备LC电路特性的线圈组成一对天线,直径有数十厘米。当其中一根天线通过几MHz的交流电时,周围产生振动磁场,通过共振向数段波长之内的另一根天线传输能量。传输距离为2m时效率约为40%,距离为1m时效率约为90%。MIT研究小组采用电磁共振方式传递能量解决能量散射问题,并把这一技术概念命名为Witricity。共振型功率可达数千瓦,距离可达数米,但是目前尚处于研究阶段。

二研究现状

目前国内外研究和应用最多的是感应耦合型非接触电能传输。新西兰在非接触电能传输技术上领先于其他国家,美国、日本紧随其后。新西兰(主要是奥克兰大学)在非接触供电理论领域提出了多种有价值的原创电路拓扑,美国则将技术与应用并重,日本在该领域的实用方面有较大优势。中国申请专利主要是实用新型,原创发明较少,德国和荷兰将非接触电能传输技术用用与交通和电器领域。国内投入精力持续研究的单位较少,一般都是实用新型成果,电路拓扑传输效率等深层次的研究偏少,缺乏稳定、高效的样机。

三三种非接触电能传输简介

(1)电磁感应耦合型

电磁感应型非接触电能传输的原理主要是一次侧线圈和二次侧线圈相邻数厘米,在一次侧线圈中施加高频交流电流,以电磁场作为媒介在二次侧线圈感应出电动势。二次侧经过整流滤波稳压,为移动终端供电,从而实现电能传输。该技术已经逐渐普遍应用于移动终端非接触充电,效率可以达到70%以上,但是传输距离有限。感应耦合电能传输利用变化的磁场耦合,通过一定的气隙,以非接触方式将电能传输到负载。相比传统的导线接触式电能传输,非接触电能传输有一些内在的优势。由于非接触电能传输是电气隔离的,所以它可以工作于潮湿环境中或者其他不方便物理接触的电能传输领域。另外,相比于传统的接插式接触,非接触电能传输不会产生污染物,并且非常可靠,不需维修。依据产生磁场的部件不同,感应耦合可以被分为分布式感应耦合和集总式感应耦合[4]。分布式感应耦合的一次侧线圈是长轨道形式,为移动的二次侧线圈充电。集总式感应耦合的耦合线圈包含两个线圈平台,当两个线圈处于一定距离之内时,这两个分离的线圈就可以实现非接触充电。对于不同的电路拓扑,感应耦合充电的适用功率范围很大,从几瓦到几十千瓦不等。

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