分析讨论新型供电技术

摘要：介绍了三种类型的无线供电方案，并对各方案的工作原理和关键技术进行了分析，结合当前的技术提出了典型应用原理图。为设计和应用无线供电提供了参考。 叙词：无线充电 电磁感应 电磁共振 电磁辐射 设计原理 Abstract：The paper introduces three types of wireless power supply schemes, and in the meantime analyses the principles and key technology related to each scheme. In addition, the author provides typical application schematic diagram by referring to current technology, so as to provide reference for designing and applying wireless power supply. Keyword：Wireless charging, Electromagnetic induction, Electromagnetic resonance vibration, Electromagnetic radiation, Schematic diagram

1 引言

昨晚做了一个梦，梦中开着我的爱车云游世界，因车没电而被迫停在了荒野上，我飞向了太空。在空中安装了太阳能电池，将太阳能变成了微波，我的车载天线接收了微波并把它变回了电能，给汽车充电；这时突然电话响了，发现电量显示不足，我打开了开关，在接电话的同时充起了电，真方便啊！我一觉醒来，脑海中仍留有许多无线电能传输的美梦。

2 无线电能传输

传统电能的传输主要是利用金属导线直接接触来进行的，这给我们带来了许多的不便。而无线电能传输就不同了，电能从发射端到接收端无接触，提高了用电设备获得电能的灵活性。无接触电能传输技术对移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供可靠的电能供应。目前常用的有三类方法，即电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式无线电能传输。

3 电磁感应 (Electromagnetic Induction )方式电能传输

3.1 电磁感应式电能传输系统的基本工作原理

电磁感应式电能传输系统主要由三大部分组成，即能量发送部分(Transmitter)，分离式变压器(Transformer)和能量接收部分(Receiver)，见图1。系统的基本工作原理是：输入交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电，之后通过高频逆变器进行逆变，逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈，经次级线圈耦合，从而产生感应电动势，再通过高频整流滤波后为负载供电。

图1 电磁感应无线电能传输示意图

3.2 电磁感应式电能传输的关键技术

电磁感应式电能传输主要用于：医疗仪器；手机、MP3、蓝牙耳机、家用电器、电脑等便携式个人电子产品的无接触式供电；电动车辆非接触供电等。目前国内产品有名帅公司、海尔的无尾电视等；国外有Splash Pads、Power cast、Duracell等公司的产品。

电磁感应式电能传输的关键技术如下：

（1）发射、接收线圈的形状、安装位置和参数的设计，要尽量保证接收线圈能够与发射线圈磁路耦合系数最大化；

（2）传输电路的设计。分离式变压器又称松耦合变压器，见图2。其中，初级与次级线圈间存有较大的空气间隙，其耦合系数较小，有较大的漏磁，导致电压增益降低，故限制了能量传输的效率。

图2 分离式变压器示意图

为了提高传输效率，必须向变压器的初级线圈中注入高频交变电流，以提高变压器的功率密度。为此，经常采用AC－DC－AC电路，即先对交流电源进行整流滤波获得直流电能，再对获得的直流电进行高频逆变，然后将高频交变电流输入到变压器的初级线圈。

由于发射电流的调制频率越低线圈上的热损耗越大, 反之调制频率越高热损耗越小。所以，无接触感应耦合电能传输系统要求工作在较高的频率，根据应用场合的不同, 采用的调制频率范围一般在10kHz—500kHz之间。具体涉及到谐振软开关技术、PWM硬开关逆变技术、移相全桥逆变器、功率因数校正等技术。

由于初级线圈和次级线圈在漏感上产生了较大的电压降，减小了无接触电能传输系统的电压增益，降低了负载通过感应耦合获取电功率的能力，会增大输入电流与电压之间的相位差。因此，必须对变压器的初级与次级线圈的漏电感进行电容补偿，常用的补偿方式有静态电容补偿及动态谐振补偿。

3.3 典型的电磁感应式电能传输系统

图3所示为J. T. Boys 提出的典型的无接触感应耦合电能传输系统电路原理图[1]。系统采用电流型推挽谐振变换器作为高频逆变器，交流电经过整流滤波后得到直流电压源，电感L1与电压源串联联接，电感L2、L3所构成的分相变压器与功率开关管Q2、Q3一起构成电流型推挽变换器，补偿电容C2与变压器初级线圈L4构成谐振槽。在工作过程中，直流电压源与电感L1构成一恒流源，之后进入推挽谐振逆变器进行高频逆变，往谐振槽中注入高频交变电流。在特定的系统频率下，原边发射线圈与原边补偿电容发生谐振，从而在原边线圈中获得近似的正弦交变电流。该电流在原边线圈周围产生高频交变磁场，次级线圈通过与初级线圈的互感来获取感生电动势，通过副边补偿电容C3对获取的感应电能进行一定的感抗补偿，可以增强负载获取电功率的性能，感应电能经过整流滤波之后即可向用电设备供应电能。