无线电能传输系统效率研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1 研究背景

电能是人类生产和生活中必不可缺少的能源,电能的使用无处不在,无时不有。其最普遍的传输方式是通过电缆、电线等有线供电方式。但是,传统的有线传输方式有一定的弊端,如今缺少架设线路的通道,在使用过程中也存在摩擦、老化、产生电火花等不安全的用电隐患,且其在恶劣天气及一些特殊环境下使用不便容易引起安全事故等,如2008年冰灾使大面积地区停电。基于传统电能传输方式很多缺点,无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)这一概念被提出,这种非接触式的电能传输既避免了摩擦、电火花等不安全隐患,又提高了在特殊环境下的供电安全指数,并且为诸如电动汽车、医疗设备、电子设备等方面开辟了一种新的供电途径。无线电能传输技术被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一,中国科学技术协会也将其列入十项引领未来的科学技术。

美国科学及尼古拉·特拉斯在1890年就曾提出无线电能的构思:利用地球看作丝一个巨型的内导体,再利用环绕在地球表面的电磁波进行大规模无线能量传输。1899年特斯拉就完成了150kHz传输300kW的能量。到2007年美国麻省理工学院的研究团队提出了磁耦合谐振式无线电能传输理论,并成功点亮了2m范围内的一个60W小泡[1]。这激发了人们对该技术的研究兴趣,无线电能传输的研究逐渐成为了国内外的一个热点。

无线电能传输的方式主要分为:近距离电磁感应式、中距离磁耦合谐振式、远距离无线电波式。其中,磁耦合谐振式利用谐振原理实现相同谐振频率物体间能量高效传输,而对不同频率的物体影响非常小,非辐射性,传输距离适中,功率较大,效率较高等诸多优点。正是因为这些优点,这种技术在小功率植入式医疗设备、中等功率便携式电子设备(手机、笔记本电脑等)、大功率电动汽车充电灯领域有广阔的应用空间。

但是,在实际的研究和应用中却存在很多问题,如系统总体的效率不高、输出功率较低且不稳定等问题,在一定程度上影响了谐振式无线电能传输技术的发展。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国际发展现状

美国WPT技术发展较早,在学术和产业界均占据了重要位置。2011年,英特尔西雅图实验室开发出无线供电人工心脏,传输效率超过90%。2012年,金霸王(Duracell)公司推出只需安装在电池上的手机无线充电卡片。Duracell powermat公司推出了桌面式等多种充电板,2014年与星巴克合作在全美提供无线充电服务,一旦桌子上配备Powermat技术,只需要将手机简单的放在桌上便能充电。2018年,美国橡树岭国家实验室(ORNL)演示验证了一个可用于车辆充电的120kW无线充电系统,通过相距15cm的两个磁力线圈实现了功率传递,为电池组充电。该系统的功率是ONRL早期技术的6倍,充电效率可达97%,与常规的有线高功率快速充电器相当。ONRL此前研制并验证了世界上首个20kW无线充电系统,目前正在改进准备用于商用货运卡车。

在日本基于WPT的魔方电动车,采用了可在供电线圈和受电线圈之间提供电力的电磁感应方式。即将一个受电线圈装置安装在汽车的底盘上,将另一个供电线圈装置安装在地面,当电动汽车驶到供电线圈装置上,受电线圈即可接受到供电线圈的电流,从而对电池进行充电。

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