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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。
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