2   非接触式电能传输的特点

基于电磁感应原理的电能传输技术相对比较成熟,频率较低,传输距离相对很小,传输效率较高。电磁感应式电路传输的基本特征就是原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙,通过磁场耦合感应联系。所以,对于电磁感应式电路的传输,较大气隙存在,使得原副边无电接触,弥补了传统接触式电能的固有缺陷;较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合,使得漏磁与激磁相当,甚至比激磁高。

对于电磁共振来说,系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合,能量在两物体间交互,利用线圈及放置两端的平板电容器,共同组成共振电路,实现能量的无线传输。该技术虽然需要送电端与受电端紧贴,但在水平方向错位的状态下也可供电,而且不会发生像现在已应用的电磁感应式的非接触充电技术那样,当异物侵入时会产生过热以及电磁波、高频波的泄漏等问题;而且,共振方式不使用铁氧体及励磁线圈,可降低设备的重量及成本;此外,只需扩大接触面积即可为大功率电器供电;另外,利用磁场通过近场传输,辐射小,具有方向性;中等距离传输,传输效率较高,能量传输不受空间障碍物(非磁性)的影响;传输效果与频率及天线尺寸关系密切。磁共振方式在60cm的传输距离内能够确保90%的效率。而电磁感应方式在数厘米左右的距离内传输效率低于90%,图4清晰地表现了这一点。因此磁共振方式的效率更高。送电方式和传输效率,电磁感应在数厘米传输效率降低,而磁共振传输效率的减少平缓。远场辐射则采取微波或激光等来传递能量,频率最高,传输距离最远,但效率较低。由于传输效率和距离不可兼得的矛盾,电磁感应无线传输方法的应用范围还不是很广泛,而且在安全方面也存在效率低导致发热量大的问题[2-4]。

图4  磁共振与磁感应传输距离与效率对比图

3   非接触式电能传输的应用领域

无线输电的特点决定了它的应用领域。首先是方便,由于没有了各种插头和插座,从而在根本上避免了接触不良、插拔困难等现象。其次就是安全了,在有线的电力传输中,由于各种连接线的接触会产生电火花,从而引发火灾或者爆炸,而无线电力传输则完全避免了这一点。还有就是由于没有了裸露在外的电线接头,避免了触电的发生。在野外工作时,由于电力传输线路存在机械接触,因此多多少少会存在发生线路故障的隐患。而无线电力传输由于没有这些线路的存在,不仅电力传输更为可靠,而且还完全避免了摩擦、腐蚀、天气、灰尘等多种不利于有线电力传输的因素。在野外,无线电力传输将会极大地节省电力传输的成本。无线充电技术此前多应用在专业领域,需要保证产品密闭性的地方,如水下设备、体内医疗装置等。目前,感应耦合技术已经在部分领域中得到应用,包括电动剃须刀、电动牙刷、净水器和无线电话等。由于这种技术在增大功率等方面不断取得进展,已经应用到手机等出货量非常大的电子终端中。近几年,随着人们对清洁能源和电动汽车的需求越来越大,国内外的大学和研究机构纷纷开始着手研究电动汽车方便、快捷、高效充电的方法,已取得一定的成果。

(1)手机等移动终端充电

利用感应耦合电能传输原理设计的非接触充电平台研究成果,如图5所示。

图5  手机非接触充电平台

(2)电动汽车

目前关于电动汽车无线供电的技术开发愈发活跃。阻碍电动汽车普及的主要原因之一是配备的大容量锂离子充电电池价格太高。锂电池的成本在电动汽车价格中占了1/3左右。如果减少配备容量,就会导致行驶距离缩短。作为解决该问题的方法之一,可以考虑采用无线供电技术。目的是通过采用充电简便的无线供电来增加充电次数,由此相应减少充电电池的配备容量。图6为正在行驶的电动汽车无线供电的技术。在道路上铺设金属板为车辆无线供电的方法如图6(a)所示。通过在道路上的铝板与钢丝带束层之间形成电容来传输电力如图6(b)所示。

图6  从路面向车辆无线传输电力

4   结束语

现代人生活在充斥着电线、插座的世界,而电能的无线传输技术将改变传统的电能传输方式，在诸多方面，方便人们的生活，经过近几年国内外对非接触式电能传输的研究，对此技术有了很大的发展，但仍有许多难点需要攻克，距离普遍实用化仍有一段距离。因此，这是一项很有发展前途的新技术。

参考文献
[1]李时杰,贾俊林,孟庆龙,贺振国.无接触电能传输技术的研究和应用现状.中国电工技术学会低压电器专业委员会第十一届学术年会论文集[C]. 2002.
[2]武瑛,严陆光,黄常纲等.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术,2003,22(4):10-13.
[3]武瑛,严陆光,徐善纲.新型无接触电能传输系统的稳定性分析[J].中国电机工程学报,2004,24(5):63-66.
[4]陈敏,周邓燕,徐德鸿.注入高次谐波电流的磁悬浮列车非接触供电方法[J].中国电机工程学报,2005,25(6):104-108 .
[5] 周雯琪. 感应耦合电能传输系统的特性与设计研究. 杭州：浙江大学博士学位论文，20088.
[6] 孙轩 .非接触式手机充电平台的设计 杭州：浙江大学硕士学位论文，2010.
[7] Chang-Yu Huang, Johhn T. Boys, Grant A. Covic+, Mickel  Budhia,“Practical considerations for designing IPT system for EV battery charging”，Power Electronics, IEEE Trans.2009, pp. 402-407.

（御风）