无线电能传输综述

1、无线电能传输技术 目 录 CONTENT 01 | 背景介绍 02 | 基本结构与工作原理 03 | 技术应用研究 04 | 发展趋势 0 1 PART ONE 背景介绍背景介绍 背景介绍 4 在三体小说里，描绘了未来世界的 场景。在那个世界里也没有烦人的插座 和各类充电接口，在那个世界里汽车飞 机以及手机，全都是电动的，但是不需 要充电也不担心续航的问题。所有电器 没有任何多余的插电线或充电口。大气 圈内到处都有能量可用。 人类经过研制出可控核聚变技能，获得 了近乎无限的“燃料”，不用担心能量 的损耗，所以能够遍及无线电能传输技 术。 背景介绍 5 无线电能传输技术这一概念的提出最早可以追溯到19世纪末期。 1893年，Nikola Tesla在芝加哥举行的世界博览会上首次展示了 通过无线方式供电的荧光照明灯。 1893年Tesla向外展示无线传输原理 无线电能传输(wireless power transfer, WPT)，是一种通过电 磁效应或者能量交换作用实现从 电源到负载无电气接触地进行电 能传输的新型输电方式，相比传 统导线输电方式，其具有安全可 靠等优点， 尤其适用于一些

2、特 殊的应用场合，因此受到了越来 越广泛的关注。 背景介绍 6 2007年，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology) MIT)的Marin Soljacic教授等人基于磁耦合谐振原理在中等距离无线电 能传输方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了1盏离电源2m开外的 60W灯泡，效率达到了40%，并在Science杂志上发表了其研究成 果，引起了世界轰动。随后，世界各地的研究人员对无线电能传输开展 了越来越多的研究。 MIT无线电能传输装置和实验组成员 0 2 PART TWO 基本结构及工作原理基本结构及工作原理 基本结构及工作原理 8 无线电能传输分类 无线电能传输 电磁辐射 式 无线电波 激光 电场耦合 式 磁场耦合 式 谐振式 感应式 超声波等 基本结构及工作原理 9 1. 磁感应耦合式 WPT 从电网输入的工频交流经过整流逆变后转换成高频交变电流，并输入到 可分离变压器的原边绕组，在高频电磁场的感应耦合作用下将电能传输 到可分离变压器副边，而得到的高频交变电流经电流调理电路转换成负 载需要的工作电流，以达到为负载供电的目的。

3、基本结构及工作原理 10 1. 磁感应耦合式 WPT 磁感应耦合式 WPT 系统在不同补偿拓扑结构条件下有不同的等效电路模 型，根据等效电路建立方程组，便可得到系统的传输特性函数。 基本结构及工作原理 11 2. 磁耦合谐振式 WPT 利用两个具有相同谐振频率且具有高品质因数的电磁系统，当发射线圈 以某一特定频率工作时，在与之相距一定的距离的接收线圈通过分布式 电容与电感的耦合作用，产生电磁耦合谐振，高频电磁能量在两线圈之 间发生大比例交换，当接收线圈上接有负载时，负载会将一部分能量吸 收，从而实现了电能的无线传输。 基本结构及工作原理 12 2. 磁耦合谐振式 WPT 根据电路理论建立等效电路的回路 KVL 方程组，求解方程组可得到传输 功率和传输效率的数学表达式，从而对磁耦合谐振式WPT 系统的传输特 性进行理论分析。 基本结构及工作原理 13 3. 微波辐射式 WPT 微波功率发生器将直流转换成微波能量，并由发射天线聚焦后向整流天 线高效发射， 微波能量经自由空间传播到整流天线，并经过整流天线的 整流滤波电路转换为直流功率后，给负载供电。 基本结构及工作原理 14 4. 激光方式

4、 WPT 激光发射模块发出特定波长的激光，激光束通过光学发射天线进行集 中、准直整形处理后发射，并通过自由空间到达接收端，且经过光学接 收天线接收聚焦到光电转换模块上完成激光电能的转换。 0 3 P A R T T H R E E 技术应用研究技术应用研究 技术应用研究 16 高通在宝马i8上搭载无线充电技术 海尔的无尾电视 苹果手机的无线快充 MIT螺旋式无线电能传输样机 技术应用研究 17 磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)利用谐振原理，使得其在中等距 离（传输距离一般为传输线圈直径的几倍)传输时，仍能得到较高的效率 和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。 相比于感应式，该方法传输距离较远; 相比于辐射式，其对电磁环境的影响较小，且功率较大。 正是由于这些优点， MCR-WPT得到越来越多的研究。 技术应用研究 18 植入式电子装置 1.植入式刺激器 2.植入式电子测量系统 3.植入式药疗装置 4.植入式人工器官及辅助装置 心脏起搏器、除颤器 胶囊内

5、窥镜 植入式注射泵 人工心脏、人工耳蜗 目前市面上的一些植入式医学电了装置均采用锂电池供电，这种内置电池 供电方式的最大缺点就是使用寿命的限制，一旦电池能量耗尽，人们只能通 过再次手术来更换电池，而有些患者由于年事已高或者其他原因不宜再次手 术，即使可以手术也会带来一定的风险。 技术应用研究 19 无线电能传输的特点非常适用于医学式植入式电子器件领域： 只有当接收线圈存在且与发射接收线圈具有相同的谐振频率时才能实现 能量的传递，而非该特定频率的物体则基本不受影响。 由于该技术属于近场无损非辐射谐振耦合，相比于电磁感应、体导电等 方法，它具有更远的传输距离和更高的传输效率。 该技术在能量传输的过程中不受非导磁性障碍物的影响，这就表示它具 有一定的穿透力，可以应用于譬如生物组织内部等视线达不到的地方。 技术应用研究 20 2011年，美国华盛顿大学、匹兹堡大学医学中心与英特尔宣布，利用磁耦合谐振无线电 能传输技术，共同试制出了植入式人工心脏使用的供电系统，该系统在一般的直径为数十 厘米谐振线圈的基础上进行了改进，在人工心脏上安装了直径4.3cm的接收线圈，并且将 其放入模拟人体组织环境的容

6、器中，对能否从容器外部供电进行了实验研究。结果显示， 能够以80%的传输效率稳定施供电。如果把该技术与容量可为人工心脏供电约2个小时的 蓄电池组合使用，电源线就无需探出体外感染的风险会因此而骤降。而且，在蓄电池未耗 尽期问，患者还可以取下电源系统，可淋浴、可在泳池游泳。而且该技术将不仅限于人工 心脏，在其他的医学领域也会有较为广泛的应用。 美国两所大学与英特尔试制 成功人工心脏无线供电系统 技术应用研究 21 植入式人工心脏无线电能传输临床试验中出现了几大问题： 线圈方位敏感 环境参数敏感 植入性和便携性难题 电磁兼容问题 如果上述问题得不到妥善解决，就无法在患者自由活动的情况下提供可靠 而持续的无线电能传输，患者体内就需要植入备用电池，无线电能传输可 能就失去其优势。到目前为止，基于磁耦合谐振的人工心脏无线电能传输 系统离临床应用还很远。 分布式FREE-D人工心脏无线电能传输概念系统 0 4 P A R T T H R E E 发展趋势发展趋势 发展趋势 23 预测 WPT 技术今后的发展趋势主要有以下几个方面： WPT 技术理论的系统化 智能化 WPT 系统 WPT 系统的电磁环境安全 WPT 技术行业标准。 谢谢观看谢谢观看 请老师同学批评指正

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