科技前沿最近，非接觸式電能傳輸(Contactless Energy Transfer, CET)技術(shù)得到了廣泛的研究與關(guān)注，為移動(dòng)設(shè)備供電提供了新的路徑，即有效避免了線纜、插頭和導(dǎo)電滑環(huán);對(duì)于一些諸如航空、生物醫(yī)學(xué)、多傳感器應(yīng)用、機(jī)器人工業(yè)這樣的重要領(lǐng)域，CET技術(shù)顯著地增加了系統(tǒng)的可靠性，減少了裝備的維護(hù)工作。

本文對(duì)基于電力電子電路的CET技術(shù)進(jìn)行了回顧與總結(jié)

CET，也通常被稱為非接觸式功率傳輸(Contactless Power Transfer, CPT)或者無線功率傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)。根據(jù)能量傳輸介質(zhì)的差異，CET可分為：聲波耦合式CET、光學(xué)耦合式CET、電場耦合式CET以及當(dāng)前最流行的磁場耦合式CET(也稱為感應(yīng)式CET)，如下圖所示。

接下來，本文將對(duì)這些技術(shù)的基本原理、最新進(jìn)展、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場合進(jìn)行介紹，其中將重點(diǎn)介紹磁場耦合式CET技術(shù)。

1、聲波耦合式CET技術(shù)

聲波耦合式CET技術(shù)的基本原理如下圖所示。

直流電能通過逆變器、發(fā)射器轉(zhuǎn)換為聲波，并通過空氣、生物或金屬介質(zhì)進(jìn)行傳播;接收電路將接收到的聲波轉(zhuǎn)換為交流電能，并在整流、濾波之后供給負(fù)載。其中的發(fā)射器、接收器通常采用壓電材料實(shí)現(xiàn)，這種材料受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓。因此，利用壓電材料的這一特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)(聲波)和交流電的互相轉(zhuǎn)換。

與磁場耦合式CET技術(shù)相比，聲波耦合式CET技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1)對(duì)于任意尺寸的發(fā)射器和接收器，聲波耦合式CET技術(shù)使用的開關(guān)頻率可比磁場耦合式CET技術(shù)小得多(僅為后者的Cair/Cem倍，其中Cair、Cem分別為聲波及電磁波在空氣中的傳輸速度)。因此，電力電子變流器的損耗也相對(duì)較小;2) 可在不允許電磁場存在的場合使用;3) 當(dāng)電能傳輸?shù)姆较虼_定時(shí)，系統(tǒng)體積比磁場耦合式CET系統(tǒng)小;4) 通常，聲波耦合式CET系統(tǒng)效率比電感性系統(tǒng)要低;然而，當(dāng)發(fā)射器與接收器距離遠(yuǎn)大于它們的半徑時(shí)，系統(tǒng)效率要比電感性系統(tǒng)高。

聲波耦合式CET系統(tǒng)的常用場合包括：生物醫(yī)學(xué)(100mW以下、效率最高為40%);需要通過金屬屏障的無線傳輸系統(tǒng)(如核電站的傳感器、真空室、氣體鋼瓶)，功率可達(dá)1kW，效率為84%。

2、光學(xué)耦合式CET技術(shù)

光學(xué)耦合式CET系統(tǒng)的工作方式類似于遠(yuǎn)場電磁波或微波能量傳輸，然而其頻率范圍位于可見光譜范圍(或附近)。系統(tǒng)基本原理是：發(fā)射器通過激光二極管產(chǎn)生帶有能量的光束，接收器采用光伏二極管重新轉(zhuǎn)換為電能。

雖然目前微波技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大功率能量的傳輸，但是當(dāng)遠(yuǎn)距離使用時(shí)會(huì)存在衍射損耗，系統(tǒng)效率會(huì)大大降低。目前的研究報(bào)道中，光學(xué)耦合式CET系統(tǒng)的功率等級(jí)從低于1W到數(shù)十W不等，光電轉(zhuǎn)換效率為20%-30%。主要應(yīng)用場合包括航天器平臺(tái)以及陸上平臺(tái)。

3、電場耦合式CET系統(tǒng)

電場耦合式CET系統(tǒng)的基本原理如下圖所示。

電能通過高頻諧振電力電子變流器連接到兩個(gè)一次金屬平板;當(dāng)兩個(gè)隔離的二次平板被插入時(shí)，平板間會(huì)形成交變電場，并產(chǎn)生可以傳導(dǎo)的偏置電流。以這種形式，電能可以在無直接電氣接觸的情況下傳遞到負(fù)載，且可以在一定自由度內(nèi)移動(dòng)一次及二次平板的位置。二次平板電路中通常會(huì)串接電感，以調(diào)節(jié)等效耦合電容并增大輸出功率;電能最終通過整流器及電容濾波后供給負(fù)載。耦合金屬平板的表面通常會(huì)覆蓋絕緣材料，以提供電氣絕緣特性，同時(shí)增大耦合電容。

與磁場耦合式CET系統(tǒng)相反，電場耦合式CET系統(tǒng)利用了電場，因此金屬屏障并不影響。由于金屬平板間的電場強(qiáng)度受限，電場耦合式CET系統(tǒng)具有降低電磁干擾的能力。電場耦合式CET系統(tǒng)的功率等級(jí)為5-50W，效率為50%-80%。其典型應(yīng)用場合包括LED燈供電、手機(jī)充電、呼吸機(jī)傳感器、生物電測量等。

4、磁場耦合式CET技術(shù)

磁場耦合式CET(Inductive CET, ICET)系統(tǒng)包含一個(gè)一次側(cè)諧振變流器，用于將直流電能變換為高頻交流電能。之后，交流電能通過變壓器(耦合系數(shù)為k)傳輸?shù)蕉蝹?cè)接收器。

由于原、副邊之間沒有電氣連接，因此可以在一定范圍內(nèi)移動(dòng)(線性移動(dòng)或旋轉(zhuǎn))，保證了負(fù)載供電的靈活性、便攜性和安全性。高頻交流電能在二次側(cè)被整流電路轉(zhuǎn)換為符合負(fù)載需求的直流電能。大多數(shù)情況下，該電路采用二極管整流器與電容濾波的組合;在一些特殊應(yīng)用場合(恒功率交流/直流負(fù)載)，會(huì)采用有源整流或逆變的形式。因此，磁場耦合式CET系統(tǒng)主要包含的組件為：一個(gè)大氣隙變壓器和諧振變換器。幾種典型CET技術(shù)對(duì)比結(jié)果如下表所示：

4.1 磁場耦合式CET技術(shù)的分類

根據(jù)功率等級(jí)及氣隙長度的不同，磁場耦合式CET可采用不同的變壓器鐵芯。

對(duì)于大功率及小氣隙場合，原副邊均采用有磁芯變壓器設(shè)計(jì)。大氣隙及中低功率場合中通常使用無磁芯的空氣變壓器。例如，滑動(dòng)變壓器的使用可以為線性或圓周運(yùn)動(dòng)提供便利。CET系統(tǒng)的最終配置方案同時(shí)取決于負(fù)載數(shù)量，可能選擇原邊或副邊具有多抽頭的變壓器。磁場耦合式CET技術(shù)主要有四種類型。

4.2 變流器及其補(bǔ)償電路

二次側(cè)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是在其諧振頻率處不產(chǎn)生反射電抗，而二次側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償在諧振頻率處會(huì)反射容性電抗。二次側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償?shù)目扇≈幨撬灰蕾囉谒B接的負(fù)載，以電流源形式輸出，適合給電動(dòng)汽車電池充電。然而，二次側(cè)串聯(lián)補(bǔ)償更適合具有中間級(jí)直流電壓母線的系統(tǒng)，例如用PWM變流器為變速交流電機(jī)供電。在這種情況下，應(yīng)根據(jù)輸出需求合理選擇補(bǔ)償電路拓?fù)?。理論上講，串聯(lián)-串聯(lián)型(Series-Series, SS)是最優(yōu)拓?fù)?，因?yàn)橐淮蝹?cè)容抗獨(dú)立于磁耦合強(qiáng)度和變換器負(fù)載，而其他三種拓?fù)涠家蕾囉诖篷詈蠌?qiáng)度。

4.3 諧振變流器的控制策略

磁場耦合式CET系統(tǒng)中諧振變流器的控制策略有多種方式。

在耦合系數(shù)與負(fù)載恒定的情況下，變流器通常采用固定開關(guān)頻率的控制方式。在負(fù)載參數(shù)可變的情況下，需要在線監(jiān)測開關(guān)頻率并根據(jù)負(fù)載狀況做出自適應(yīng)調(diào)整。這種情況可以通過鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)相位控制或峰值電流控制，也可以使用積分控制方法來實(shí)現(xiàn)可靠控制。

4.4級(jí)聯(lián)式的旋轉(zhuǎn)變壓器

給工業(yè)機(jī)器人及操縱器供電的時(shí)候，通常采用下圖所示的磁場耦合式CET系統(tǒng)。

對(duì)于第一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，電源側(cè)經(jīng)過交-直-交變換產(chǎn)生200-600V、20-60kHz的方波電壓，并供給一次側(cè)繞組。變壓器二次側(cè)與另一個(gè)交-直-交變換器相連，通過PWM調(diào)制生成可變頻率的交流電壓，并供給第一個(gè)三相電機(jī)。該變壓器的二次側(cè)同時(shí)與第二個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的一次側(cè)相連;而第二個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器通過類似的方式給第二個(gè)三相電機(jī)供電，并耦合到下一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器。通過這種方式可以增加更多的變壓器，并驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人。類似的系統(tǒng)可以被應(yīng)用于多層介質(zhì)光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。不同的是，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率輸出僅為20-30mW，而工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的功率一般為10-20kW。

4.5副邊多繞組的變壓器

采用多繞組變壓器的CET方案可以同時(shí)為多個(gè)相互隔離且可移動(dòng)的負(fù)載供電，具有較強(qiáng)的靈活性。多繞組變壓器通常是副邊采用多個(gè)繞組。

當(dāng)需要使用穩(wěn)定的交流/直流負(fù)載時(shí)，需要使用一個(gè)額外的逆變器或斬波器;此時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降?；谶@個(gè)思路，研究人員提出了類似于“插頭-插座”的方式：負(fù)載采用類似電流鉗的方式與供電線纜進(jìn)行無線連接。此外，德國ABB研發(fā)中心建立了一種適用于工廠的無線通訊與供電(WISA)系統(tǒng)，解決了傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無線連接問題。在這種情況下，變壓器一次側(cè)采用無磁芯單繞組設(shè)計(jì)，并與分布式二次側(cè)多繞組耦合，為每個(gè)傳感器、執(zhí)行器提供10mW的功率。

4.6 滑動(dòng)變壓器

基于滑動(dòng)變壓器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)通常應(yīng)用于遠(yuǎn)距離供電，且滑動(dòng)變壓器的原邊繞組較長。根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式，ICET系統(tǒng)可采用兩種配置形式：對(duì)于線性移動(dòng)負(fù)載，可采用加長環(huán)的形式;而對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的負(fù)載，則采用圓周形式。二次側(cè)繞組固定在可移動(dòng)的磁芯上，副邊變流器直接與二次側(cè)繞組相連。這種磁芯的構(gòu)造使二次側(cè)繞組可在一次側(cè)繞組形成的環(huán)路上自由移動(dòng)，因此滑動(dòng)變壓器為構(gòu)建長距離無線輸電系統(tǒng)提供了可能。

考慮到磁性特性、機(jī)械特性，滑動(dòng)變壓器的磁芯通常包含多層非結(jié)晶或納米晶磁性材料。然而，當(dāng)負(fù)載具有寬動(dòng)態(tài)范圍特性時(shí)，磁芯的磁場慣性可能會(huì)造成問題：能量接收裝置需要配備大型磁芯，因此二次側(cè)的重量會(huì)增大。通常，一次側(cè)繞組的長度一般為1-70m，輸出功率為1-200kW。

4.7 應(yīng)用范例：電動(dòng)汽車V2G技術(shù)

V2G是Vehicle-to-Grid的簡稱，當(dāng)混合電動(dòng)車或純電動(dòng)車的電池需要充電時(shí)，能量從電網(wǎng)輸送到電池;反之，在電動(dòng)車停運(yùn)的時(shí)候，可以進(jìn)入放電模式，將電池儲(chǔ)存的能量回饋至電網(wǎng)。隨著新一代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)及插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in HEV, PHEV)的發(fā)展，汽車通過插頭從電網(wǎng)中取電變?yōu)楝F(xiàn)實(shí);對(duì)于PHEV而言，通過電力電子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)V2G技術(shù)。V2G技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用有利于分布式能源接入電網(wǎng)，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的蓄電池起到了削峰填谷的作用。蓄電池儲(chǔ)存的能量巨大;在美國，當(dāng)PHEV的市場滲透率為10%時(shí)，將會(huì)取代全國25%的發(fā)電裝機(jī)容量。當(dāng)然，這種設(shè)想依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，包括充電樁、V2G接口、無線通信系統(tǒng)以及電網(wǎng)中的調(diào)度系統(tǒng)。

以15kW雙向磁場耦合式CET系統(tǒng)為例進(jìn)行舉例說明。系統(tǒng)的配置方案如下圖所示。

在電網(wǎng)側(cè)的能量輸入接口為三相PWM變流器。二次側(cè)放置在電動(dòng)汽車上，采用相同的變流器，并與電池組相連。由于原副邊繞組之間的氣隙很大，因此CET變壓器運(yùn)行時(shí)的磁耦合系數(shù)很小，其漏感值比傳統(tǒng)變壓器要大得多。這種變壓器配置方案的結(jié)果就是：磁化電流增加，導(dǎo)致更高的變流器導(dǎo)通損耗，漏感增大導(dǎo)致了繞組損耗增大。為了解決這一問題，ICET系統(tǒng)通常采用諧振變換器，并對(duì)變壓器的漏感進(jìn)行補(bǔ)償(電容Cr1和Cr2)，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

FPGA控制器中的算法由兩部分組成：1)諧振變換器的積分控制，負(fù)責(zé)系統(tǒng)最大能量傳輸及過壓/過流保護(hù);2)控制能量在電網(wǎng)和電池組間的雙向流動(dòng)。只有當(dāng)一次側(cè)電流過零時(shí)，門極信號(hào)才會(huì)發(fā)生改變，因此積分控制方法可確保諧振變換器工作于諧振頻率。

雙向CET系統(tǒng)的開關(guān)頻率為60kHz，氣隙長度為23cm，P1rms=13.35kVA，實(shí)物圖片如下。

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

積分控制將諧振變換器下方的驅(qū)動(dòng)晶體管短路，減小了原邊電流峰值。通過這種控制方式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量流動(dòng)控制，且保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如下圖所示。

原標(biāo)題:非接觸式電能傳輸技術(shù)概述