激光无线能量传输技术

第1章无线能量传输技术概述 1.1无线能量传输技术的优势 能源的利用贯穿于人类文明进步的全过程。自19世纪第二次工业革命发明了发电机和电动机以来，人类文明进入高速发展的电气时代，电力被广泛应用在交通、通信、国防和工业生产等多个方面，极大地改变了我们的生产和生活方式，是推动社会发展不可或缺的力量。 随着社会的进步和科技的发展，人们对供电方式的可靠性和灵活性提出了更高的要求。然而，目前传统接触式供电方式（即通过金属导线进行物理连接供电的方式）在诸多应用领域的不足已逐渐显现，比如： （1）存在安全隐患。在轨道交通（如电力机车和轻轨等）供电领域，传统的通过受电弓或滚轮从导轨上滑动或滚动取电的方式，易出现刮弓和意外触电等安全隐患。在矿井和油田等有爆炸危险的场合，金属触点易产生火花，引起爆炸和火灾等安全性问题。 （2）移动灵活性差。在移动设备（电动汽车和便携式电子设备等）供电领域，采用传统接触式供电方式向移动设备供电时，为满足物理接触，需要较多的附加设备（如各种杂乱交织的电源线和适配器），给用电设备的使用带来了很多的不便。 （3）限制用电设备在特殊场合的应用。在植入式医疗设备、高电位监测传感器和航空航天器供电领域，受限于特殊的场合，用电设备无法直接通过有线的供电方式获得充足的电力供应。此时一般需采用蓄电池进行供电，而有限的电池容量和更换电池带来的不便，极大地限制了这些设备的运行和使用。 在上述情况下，传统接触式供电方式安全性、移动性和适用性差的问题日益突出，人们迫切需要采用新的供电技术来摆脱电缆的束缚。因此，无线能量传输（wireless power transfer，WPT）技术受到了越来越多的关注，该技术用电磁场、微波和激光等空间能量载体代替了传统的金属导体，实现了能量的无直接电气接触的传输，弥补了传统能量传输方式的不足。与传统接触式供电方式相比，无线能量传输技术具备以下显著特点［1-5］。 （1）移动灵活：实现了“源”和“载”之间无直接物理接触的电气连接，从而使得用电设备能够摆脱电缆的束缚，提高了其在空间移动的自由度。 （2）安全可靠：由于无线能量传输技术取消了供电接口，避免了线路机械磨损和接触火花等问题，从而降低了触电、火灾和爆炸的风险。 （3）使用方便：由于摆脱了传统接触式供电中导体直接接触的牵绊与限制，避免了布线凌乱的问题，即插即用的特性可减少人工操作，实现智能控制。 由于无线能量传输技术的突出优点，近十几年来，以电磁感应方式为主的短距离无线能量传输技术取得了长足的进步，并逐渐应用到电动汽车、消费电子和医疗电子等产品的无线供电中。Research and Markets的研究报告显示，预计到2027年，市场规模将达到530亿美元［6］。随着无线能量传输技术的不断发展和成熟，一些新技术和新应用逐渐被引入，这使得无线能量传输技术不再局限于单一的实现方式，变得更加纷呈多样。其中，以激光和微波方式为代表的远距离无线能量传输技术开始受到关注，尽管这些技术尚处于探索研究阶段，但在遥感监测、国防工业、空间科学研究、太空能源利用等领域具有广阔的应用前景，因此，研究和发展无线能量传输技术，实现小功率到大功率、远距离到近距离不同应用场合下的能量传输，具有重要的战略及现实意义。 1.2无线能量传输技术的分类 图1.1无线能量传输技术的分类 如图1.1所示，按照能量传输机理的不同，现有无线能量传输技术主要可以分为以下四类：超声波式、电场耦合式、磁场耦合式和电磁辐射式［7-10］。其中磁场耦合式主要包括电磁感应式和谐振耦合式，电磁辐射式主要包括微波式和激光式。在这些方式中，磁场耦合式技术*为成熟，而电场耦合式和电磁辐射式目前仍处于研究阶段。下面将分别介绍这几类无线能量传输方式。 1.2.1超声波式 超声波式无线能量传输（ultrasonic wireless power transfer，USWPT）技术是通过两个相隔一定距离的换能器之间产生的超声波（频率大于20kHz的声波）来实现能量无线传输的技术，属于近场无线能量传输技术［11］。超声波式无线能量传输系统的典型结构如图1.2所示。该系统主要由四部分组成：超声电源、超声波发射换能器、超声波接收换能器和接收电路。 图1.2超声波式无线能量传输系统结构 系统工作时，发射端的超声电源将直流电压转换成与发射换能器固有频率一致的正弦交流电压。匹配电路则具有实现阻抗变换、提高电路输出效率的作用，从而实现发射换能器的机电共振，将超声波发射到介质中去。在超声波接收端，接收换能器将超声波转换成交流电，通过接收电路变换后提供给负载。 超声波可以在任何介质中传播，无电磁干扰，且定向性好，因此适用于金属密闭场合，如心脏起搏器、电子耳蜗、体内微型诊疗机器人等人体植入设备，以及核潜艇、核反应堆、压力容器等军工设备。尽管USWPT技术在特定领域具有广泛的应用前景，但围绕它的研究仍然处于初级阶段，以下将主要从超声波产生、接收和整体传输特性等方面，对USWPT技术的基本原理和特点进行概述。 1.超声波换能器 超声波换能器有很多种类，如压电换能器、磁致伸缩换能器、机械性换能器等，其中压电换能器因其转换效率高、价格低廉、不需要极化电源、易于加工成型等优点，被广泛应用于超声波式无线能量传输系统中。 压电换能器主要利用压电材料的压电效应来实现电能和机械能之间的转换。压电效应包括正压电效应和逆压电效应，正压电效应是指当压电材料在某一特定方向上经受外力发生变形时，在内部会产生极化现象，并在材料的两个相对表面上出现与外力大小成正比且极性相反的电荷，改变外力方向时电荷极性也随之改变，去掉外力后，材料恢复不带电状态。逆压电效应是指在压电材料极化方向上施加一定的电荷时，压电材料会发生形变。逆压电效应可以将电能转换成超声波，正压电效应可以将超声波转换成电能。 压电换能器在谐振频率处的等效电路模型如图1.3（a）所示，其中Cp为静态电容，所在支路为并联支路或静态支路，Le为动态电感，Ce为动态电容，R为机械损耗动态电阻Re和负载电阻RL的和，负载电阻大小由介质决定，所在支路为串联支路或动态支路。串联支路和并联谐振支路的谐振频率fs和fp可分别表示为［12］ （1.1） （1.2） 图1.3压电换能器等效电路及特性曲线图 当换能器机械阻抗较小时，可用串联谐振频率fs和并联谐振频率fp代替谐振频率fr和反谐振频率fa，fr和fa是指使换能器两端电压和流经电流同相的频率点。 从图1.3（a）的等效电路模型中可得到频率与等效阻抗和阻抗角的关系曲线，分别如图1.3（b）和（c）所示。从图1.3（b）中可以看出，在串联谐振频率fs处，换能器等效阻抗呈现*小值；在并联谐振频率fp处，换能器等效阻抗呈现*大值。从图1.3（c）中可以看出，当工作频率低于串联谐振频率fs时，阻抗角为负，对外表现阻抗特性为容性；当工作频率处于串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间时，阻抗角为正，阻抗特性变为感性；当工作频率超过并联谐振频率fp时，阻抗角又由正变为负，阻抗特性从感性又变为容性。因此，为减小机械损耗和无功功率，一般希望换能器工作在谐振频率处。 2.超声电源 超声电源主要由逆变电路和阻抗匹配两部分构成。常用的逆变电路有全桥、半桥和推挽逆变等。 压电换能器工作时常呈现容性状态或者感性状态，因此需要通过阻抗匹配网络，对这部分容性阻抗或感性阻抗进行补偿，使换能器对外表现为纯阻性，以减小无功损耗，提高能量传输效率。常用的阻抗匹配网络有串联电感匹配、并联电感匹配、串联电容匹配、并联电容匹配、LC匹配、LCC匹配、LCL匹配等［11，13］。文献［14］中采用的是如图1.4所示的串联电感匹配的方式。当串联电感匹配时，总的等效输入阻抗Zin可表示为 （1.3） 其中ωs=2πfs，令Zin虚部为零，则匹配后总的阻抗特性呈阻性，可得 （1.4） 图1.4串联电感匹配等效电路 3.超声电源频率跟踪控制 由于换能器特性参数容易受环境温度、老化等外部因素影响而发生变化，所以上述静态匹配电路不能始终实现超声电源与换能器的阻抗匹配，当外界环境变化时，超声波发射端的工作状态会偏离初始设计的效率*优状态，造成发射端效率的下降，因而也会影响整体工作效率。因此必须对超声电源输出电压的频率进行控制，使得其能与换能器的谐振频率相等。目前超声电源频率跟踪控制方案主要有：电流控制方案、功率控制方案和相位控制方案［14-16］。 电流控制方案：对整流输出端直流母线上的电流采样，再由数字信号处理（digital signal processing，DSP）控制软件搜索*大电流值对应的频率。换能器在谐振状态时超声波电源输出电流的有效值达到*大，同时直流母线上的电流也达到*大值，控制器通过变换开关频率搜索电流*大值，并把电源的频率调谐到谐振频率上。电流控制方案原理简单、易于实现，但频率跟踪精度较低，动态响应速度较慢，对电流波形质量要求较高。 功率控制方案：对负载的电压和电流进行采样，再通过乘法器得到功率信号。换能器在谐振状态时电源的输出功率达到*大，控制器通过变换开关频率搜索*大功率信号，并把电源的频率调谐到谐振频率上。功率控制方案也具有原理简单、易于实现的优点，但也存在着频率跟踪精度较低、动态响应速度较慢、对电压和电流波形质量要求较高的缺点。 相位控制方案：对负载的电压和电流进行采样，将二者转换成方波信号后进行相位分析比较，得到电压和电流的相位差信息。由于谐振时电压和电流的相位差为零，所以通过鉴别电压和电流相位的超前或滞后关系来调整开关频率，直至二者相位差减小为零。相位控制方案，其负载电压和电流波形的质量对采样没有影响，精度较高，且频率跟踪速度快，同时，硬件电路具有带通滤波性能，不会发生误跟踪，但也存在硬件电路比较烦琐的缺点。 锁相环是实现相位控制的关键技术，通常有模拟锁相环（APLL）和数字锁相环（DPLL）两种形式。模拟锁相环是以模拟电路实现相位差的鉴别、滤波和频率变换消除相位差等功能的，应用在超声电源的控制电路组成框图如图1.5所示。随着电子技术的发展，各种高性能的专用芯片大量涌现，于是各种复杂模拟电路的结构得到了简化，同时性能也在大幅提高，常用的锁相控制芯片如CD4046和NE560等。但是模拟电路有着一些固有的缺陷，比如，外围器件参数精度不高、调试困难、温度漂移，以及元件老化等，而且模拟电路的开放性较差，不利于功能的升级。 图1.5模拟锁相式电源组成框图 数字锁相环以数字电路代替模拟电路，不仅减少了各种元器件的数目，而且通过修改软件结构就可以实现多种控制方案，提高了系统的可靠性和可维护性，并便于系统的升级。近些年来，全数字化的锁相环研究正逐步成为热点，并受到越来越多的重视和应用。数字锁相环的结构如图1.6所示。数字锁相环中的信号为离散的数字信号，当输入信号ui（k）与输出信号uo（k）之间存在相位差时，数字鉴相器（DPD）输出电压ud（k）的大小和相位差的大小呈比例关系，经过数字滤波器（DLPF）滤波后产生的电压ua（k）作用于数字压控振荡器（DVCO），直至二者相位差为零。数字锁相环常通过基于DSP的运算电路实现。