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  • 頭條科研簡(jiǎn)報(bào):電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展
    2022-07-12 作者:于宙、肖文勛 等  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀”,作者為于宙、肖文勛 等。第一作者為于宙,碩士研究生;通訊作者為肖文勛,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸機(jī)理及其應(yīng)用。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和“攀登計(jì)劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金的資助。

    近年來(lái),隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,無(wú)線電能傳輸正在逐漸走入人們的生活,并且已經(jīng)連續(xù)兩年被世界經(jīng)濟(jì)論壇列為對(duì)世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰(zhàn)提供答案的十大新興技術(shù)之一,具有很強(qiáng)的潛力。

    根據(jù)傳輸原理,無(wú)線電能傳輸可以分為近場(chǎng)的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸(ECPT)與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸(MCPT),以及遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁輻射式無(wú)線電能傳輸(ERPT)。

    電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸是一種通過(guò)金屬極板之間的耦合電容實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù),以其良好的傳能特性、不產(chǎn)生渦流、成本低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注,成為當(dāng)下無(wú)線電能傳輸研究的一個(gè)熱點(diǎn)。電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)除了在安全性與中遠(yuǎn)距離充電領(lǐng)域略有不足外,在其他方面相較于磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

    1 常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域

    與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸類似,電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸同樣可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域,例如鐵路、電動(dòng)汽車靜態(tài)充電、無(wú)人機(jī)、工程電機(jī)等。

    在鐵路領(lǐng)域,有學(xué)者類比磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的四線圈結(jié)構(gòu),提出了一種用于電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)闹欣^耦合結(jié)構(gòu),在原來(lái)的磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中增加兩個(gè)中繼結(jié)構(gòu),分別與發(fā)射端線圈和接收端線圈磁場(chǎng)耦合,而兩個(gè)中繼結(jié)構(gòu)之間采用電場(chǎng)耦合的方式,這是因?yàn)殍F軌和地面可以作為中繼線圈的電流返回路徑,因此中繼耦合結(jié)構(gòu)只需要一對(duì)金屬極板,可以有效增加耦合電容,提高系統(tǒng)的功率和效率。

    有學(xué)者發(fā)現(xiàn)鐵軌的側(cè)面可以起到冷凝器的作用,因此以鐵軌構(gòu)建返回路徑的傳能效果優(yōu)于以輪胎構(gòu)建的效果。

    在電動(dòng)汽車靜態(tài)充電領(lǐng)域,有學(xué)者利用汽車四個(gè)車輪的金屬輪圈作為接收極板,增大了耦合面積,傳輸功率達(dá)到了60W。同時(shí)該學(xué)者指出,也可以通過(guò)提高極板的電壓來(lái)增加極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度,從而提高傳輸功率。

    有學(xué)者將汽車底盤(pán)寄生電容的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)加以利用,將其轉(zhuǎn)化為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),極大地提升了功率傳輸密度,傳輸功率近600W。2015年后,美國(guó)圣地亞哥州立大學(xué)先后提出了多種用于電動(dòng)汽車充電的拓?fù)洌示^(guò)90%,也正式將電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)墓β实燃?jí)提升到kW級(jí)別。有學(xué)者將汽車底盤(pán)和地面等效為一對(duì)極板,與另一對(duì)額外的金屬極板共同構(gòu)成耦合機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了3.3kW的傳能,安全距離為0.25m,但極板電壓達(dá)到了24 720V,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮安全屏蔽的問(wèn)題。

    在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域,有學(xué)者采用了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、升壓變壓器、逆變器全部置于發(fā)射端的方式,令接收端的電路僅由半導(dǎo)體元件等小型器件組成,降低了負(fù)載端的體積和質(zhì)量,在保證不影響無(wú)人機(jī)工作的情況下傳遞了10W左右的功率,達(dá)到了與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)同等的功率傳輸效果,但效率只有70%,還有待提高。

    在工程電機(jī)領(lǐng)域,美國(guó)威斯康辛大學(xué)在2012年~ 2015年設(shè)計(jì)了諸如多層極板耦合機(jī)構(gòu)、流體動(dòng)力軸承耦合機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)軸承耦合機(jī)構(gòu)等多種新型耦合機(jī)構(gòu),但都由于技術(shù)問(wèn)題未能付諸應(yīng)用;該團(tuán)隊(duì)又于2017年提出將電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸應(yīng)用到線性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)替代以往的導(dǎo)線連接的方法,通過(guò)改造導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu),使其構(gòu)成多對(duì)耦合電容,并將逆變器連接到導(dǎo)軌上,在滑塊側(cè)連接整流電路,最終搭建了3.66MHz、111.9W 的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

    2 特殊應(yīng)用領(lǐng)域

    除了常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域之外,電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)于磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì),例如水下無(wú)線充電領(lǐng)域、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備和旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的無(wú)線充電領(lǐng)域等。

    水作為傳輸介質(zhì)時(shí),耦合機(jī)構(gòu)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)電損耗和介電損耗,因此水介質(zhì)與空氣介質(zhì)擁有不同的特性。

    有學(xué)者的研究表明,當(dāng)采用海水作為耦合介質(zhì)時(shí),極間距不會(huì)影響耦合機(jī)構(gòu)的等效電容值,這是與空氣作為耦合介質(zhì)的重大區(qū)別。有學(xué)者對(duì)水下電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造,一對(duì)金屬極板直接暴露在海水中,另一對(duì)金屬極板表面附著絕緣材料后再置于水下。該學(xué)者指出直接暴露在海水中的金屬極板,由于海水的導(dǎo)電性,可以看成是一個(gè)電阻,因此該系統(tǒng)可認(rèn)為是雙極板電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),且無(wú)需嚴(yán)格的位置要求。該學(xué)者還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率與海水的離子濃度有關(guān),但沒(méi)有給出具體的相關(guān)性。

    有學(xué)者研究表明當(dāng)頻率在200MHz以下時(shí),淡水的導(dǎo)電損耗在整體損耗中占主導(dǎo)地位,而頻率高于200MHz時(shí),介電損耗占主導(dǎo)。有學(xué)者在其基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),水下電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳能效率主要取決于耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)k與空載水介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)Q的乘積,因此該文獻(xiàn)提出了一種能夠提升系統(tǒng)kQ的設(shè)計(jì)方法,從而提升了系統(tǒng)效率。有學(xué)者提出了一種帶緩沖阻尼器的新型耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,在20mm的傳輸距離下,輸出1kW的功率,效率可以達(dá)到90%。

    在動(dòng)態(tài)無(wú)線充電應(yīng)用中,磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)需要在很長(zhǎng)一段距離上全程鋪設(shè)高頻利茲線圈以激發(fā)磁場(chǎng),損耗和成本很高,而電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)僅需要采用廉價(jià)的金屬極板,其損耗低、成本低。

    有學(xué)者提出了一種F型補(bǔ)償拓?fù)?,可以有效抑制接收端移除引起的逆變器開(kāi)關(guān)管電壓電流沖擊,保證發(fā)射端在空載時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。有學(xué)者提出了一種利用耦合電容作為虛擬開(kāi)關(guān)的“接收控制”型混合耦合機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了接收端移開(kāi)時(shí),發(fā)射端不產(chǎn)生空載損耗及漏磁輻射,系統(tǒng)最大輸出功率為 120W,最高效率達(dá) 81.42%。有學(xué)者利用雙極板結(jié)構(gòu)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)給電動(dòng)摩托車充電,在3m長(zhǎng)的鋁箔上實(shí)現(xiàn)了200W的功率輸出,但效率較低,還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

    電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)慕饘贅O板尺寸最小可以做到μm級(jí),相比線圈更方便嵌入人體,而且它不會(huì)在醫(yī)療設(shè)備的金屬表面產(chǎn)生渦流,也避免了對(duì)生物組織造成的熱傷害,其電磁干擾小,對(duì)其他醫(yī)療設(shè)備的正常工作也不會(huì)造成干擾,因此電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值。

    有學(xué)者首創(chuàng)性地將極板嵌入人體內(nèi),完成了對(duì)嵌入式醫(yī)療設(shè)備的充電。有學(xué)者創(chuàng)新性地提出將皮膚作為耦合介質(zhì)以增大傳能效率,最終實(shí)現(xiàn)了為1mm2大小、厚度5cm的植入設(shè)備無(wú)線充電,充電功率約為0.5mW,充電效率為0.39 %,雖然功率與效率都很低,但證明了這種方式的可行性。

    有學(xué)者通過(guò)在生物體內(nèi)外放入耦合極板來(lái)形成耦合電容,實(shí)現(xiàn)為36 cm2大小、厚度2cm的植入設(shè)備充電,傳輸功率為100mW,效率在40%左右;同時(shí)該學(xué)者也發(fā)現(xiàn),因?yàn)槿梭w組織電阻率較低,對(duì)電場(chǎng)有較強(qiáng)的衰減和屏蔽效果,所以效率比常規(guī)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)要低很多。

    有學(xué)者以猴子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,研究了基于柔性電極的植入式設(shè)備電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),耦合面積為4cm2、傳輸深度為7mm、傳輸功率為120mW、傳輸效率超過(guò)50%。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)經(jīng)由身體組織的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率在100~200MHz之間,但是該研究要求人體內(nèi)的接收極板與體外發(fā)射極板必須正對(duì),限制了其靈活性。

    目前向可旋轉(zhuǎn)部件供電的方式大多是通過(guò)“集電-電刷”方式,這種電能供給方式不僅會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁干擾影響傳感,而且長(zhǎng)久工作狀態(tài)下容易導(dǎo)致電刷損壞,如果采用磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),又會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的線圈纏線問(wèn)題,因此采用電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)成為最優(yōu)的解決方案。

    有學(xué)者首先提出了能夠應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的圓盤(pán)式與圓筒式兩種耦合結(jié)構(gòu),對(duì)比發(fā)現(xiàn)圓筒式結(jié)構(gòu)的耦合電容值比圓盤(pán)式要高;有學(xué)者將空氣動(dòng)力流體軸承應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)電容器結(jié)構(gòu),通過(guò)最小化電容分離距離,最大化相對(duì)面積,保證靜止與運(yùn)動(dòng)表面之間的電容耦合最大化,通過(guò)不同規(guī)格的流體軸承設(shè)計(jì)可以令耦合電容比平板式結(jié)構(gòu)大100倍。

    圖1總結(jié)了目前電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。在大多數(shù)常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域中,電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有同樣的效果,可進(jìn)行等量替代,而在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域中,電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸擁有比磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸明顯的優(yōu)勢(shì)。因此,研究電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)勢(shì)在必行。

    科研簡(jiǎn)報(bào):電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

    圖1 應(yīng)用場(chǎng)景