非接触式电能传输技术概述

非接触式电能传输技术概述

上期内容：西电智慧电气杯创新大赛科技前沿最近，非接触式电能传输（Contactless Energy Transfer, CET）技术得到了广泛的研究与关注，为移动设备供电提供了新的路径，即有效避免了线缆、插头和导电滑环；对于一些诸如航空、生物医学、多传感器应用、机器人工业这样的重要领域，CET 技术显著地增加了系统的可靠性，减少了装备的维护工作。本文对基于电力电子电路的CET技术进行了回顾与总结CET，也通常被称为非接触式功率传输（Contactless Power Transfer, CPT）或者无线功率传输（Wireless Power Transfer, WPT）。根据能量传输介质的差异，CET可分为：声波耦合式CET、光学耦合式CET、电场耦合式CET以及当前最流行的磁场耦合式CET（也称为感应式CET），如下图所示。接下来，本文将对这些技术的基本原理、最新进展、优缺点及应用场合进行介绍，其中将重点介绍磁场耦合式CET技术。1、声波耦合式CET技术声波耦合式CET技术的基本原理如下图所示。直流电能通过逆变器、发射器转换为声波，并通过空气、生物或金属介质进行传播；接收电路将接收到的声波转换为交流电能，并在整流、滤波之后供给负载。其中的发射器、接收器通常采用压电材料实现，这种材料受到压力作用时会在两端面间出现电压。因此，利用

压电材料的这一特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。

与磁场耦合式CET技术相比，声波耦合式CET技术具有以下特点：1）对于任意尺寸的发射器和接收器，声波耦合式CET技术使用的开关频率可比磁场耦合式CET技术小得多（仅为后者的Cair/Cem倍，其中Cair、Cem分别为声波及电磁波在空气中的传输速度）。因此，电力电子变流器的损

耗也相对较小；2）可在不允许电磁场存在的场合使用；3）当电能传输的方向确定时，系统体积比磁场耦合式CET系

统小；4）通常，声波耦合式CET系统效率比电感性系统

要低；然而，当发射器与接收器距离远大于它们的半径时，系统效率要比电感性系统高。

声波耦合式CET系统的常用场合包括：生物医学（100mW 以下、效率最高为40%）；需要通过金属屏障的无线传输系

统（如核电站的传感器、真空室、气体钢瓶），功率可达1kW，效率为84%。

2、光学耦合式CET技术光学耦合式CET系统的工作方

式类似于远场电磁波或微波能量传输，然而其频率范围位于可见光谱范围（或附近）。系统基本原理是：发射器通过激

光二极管产生带有能量的光束，接收器采用光伏二极管重新转换为电能。虽然目前微波技术已经实现大功率能量的传输，但是当远距离使用时会存在衍射损耗，系统效率会大大降低。

目前的研究报道中，光学耦合式CET系统的功率等级从低于1W到数十W不等，光电转换效率为20%-30%。主要应用场合包括航天器平台以及陆上平台。

3、电场耦合式CET系统电场耦合式CET系统的基本原理如下图所示。电能通过高频谐振电力电子变流器连接到两个一次金属平板；当两个隔离的二次平板被插入时，平板间会形成交变电场，并产生可以传导的偏置电流。以这种形式，电能可以在无直接电气接触的情况下传递到负载，且可以在一定自由度内移动一次及二次平板的位置。二次平板电路中通常会串接电感，以调节等效耦合电容并增大输出功率；电能最终通过整流器及电容滤波后供给负载。耦合金属平板的表面通常会覆盖绝缘材料，以提供电气绝缘特性，同时增大耦合电容。

与磁场耦合式CET系统相反，电场耦合式CET系统利用了电场，因此金属屏障并不影响。由于金属平板间的电场强度受限，电场耦合式CET系统具有降低电磁干扰的能力。电场耦合式CET系统的功率等级为5-50W，效率为50%-80%。其典型应用场合包括LED灯供电、手机充电、呼吸机传感器、生物电测量等。

4、磁场耦合式CET技术磁场耦合式CET（Inductive CET, ICET）系统包含一个一次侧谐振变流器，用于将直流电能变换为高频交流电能。之后，交流电能通过变压器（耦合系数

为k）传输到二次侧接收器。由于原、副边之间没有电气连接，因此可以在一定范围内移动（线性移动或旋转），保证了负载供电的灵活性、便携性和安全性。高频交流电能在二次侧被整流电路转换为符合负载需求的直流电能。大多数情况下，该电路采用二极管整流器与电容滤波的组合；在一些特殊应用场合（恒功率交流/直流负载），会采用有源整流或逆变的形式。因此，磁场耦合式CET系统主要包含的组件为：一个大气隙变压器和谐振变换器。

几种典型CET技术对比结果如下表所示：4.1 磁场耦合式CET技术的分类

根据功率等级及气隙长度的不同，磁场耦合式CET可采用不同的变压器铁芯。对于大功率及小气隙场合，原副边均采用有磁芯变压器设计。大气隙及中低功率场合中通常使用无磁芯的空气变压器。例如，滑动变压器的使用可以为线性或圆周运动提供便利。CET系统的最终配置方案同时取决于负载数量，可能选择原边或副边具有多抽头的变压器。

磁场耦合式CET技术主要有四种类型。4.2 变流器及其补偿电路

二次侧串联补偿的优点是在其谐振频率处不产生反射电抗，而二次侧并联补偿在谐振频率处会反射容性电抗。二次侧并联补偿的可取之处是它不依赖于所连接的负载，以电流源形式输出，适合给电动汽车电池充电。然而，二次侧串联补偿

更适合具有中间级直流电压母线的系统，例如用PWM变流器为变速交流电机供电。在这种情况下，应根据输出需求合理选择补偿电路拓扑。理论上讲，串联-串联型(Series-Series, SS)是最优拓扑，因为一次侧容抗独立于磁耦合强度和变换器负载，而其他三种拓扑都依赖于磁耦合强度。

4.3 谐振变流器的控制策略

磁场耦合式CET系统中谐振变流器的控制策略有多种方式。在耦合系数与负载恒定的情况下，变流器通常采用固定开关频率的控制方式。在负载参数可变的情况下，需要在线监测开关频率并根据负载状况做出自适应调整。这种情况可以通过锁相环电路实现相位控制或峰值电流控制，也可以使用积分控制方法来实现可靠控制。

4.4级联式的旋转变压器

给工业机器人及操纵器供电的时候，通常采用下图所示的磁场耦合式CET系统。对于第一个旋转变压器，电源侧经过交-直-交变换产生200-600V、20-60kHz的方波电压，并供给一次侧绕组。变压器二次侧与另一个交-直-交变换器相连，通过PWM调制生成可变频率的交流电压，并供给第一个三相电机。该变压器的二次侧同时与第二个旋转变压器的一次侧相连；而第二个旋转变压器通过类似的方式给第二个三相电机供电，并耦合到下一个旋转变压器。通过这种方式可以增加更多的变压器，并驱动整个机器人。类似的系统可以被