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用两根导线实现无线供电,为行驶中的纯电动车无缝充电

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-02-10  浏览次数:940

    日本奈良先端科学技术大学院大学(NAIST)信息科学研究系教授冈田实的研究室与电力设备及工业机器人制造商大阪变压器公司合作,开发出了可为移动中的设备及纯电动汽车(纯电动车)等无线充电的“使用平行双线的无线电力传输方式”。


    奈良先端科学技术大学院大学教授冈田实(右)与副教授东野武史(左)


    这是一种基於磁共振方式的线路型无线充电技术,但供电器并不是排列多个供电线圈,而是向两条平行排列的导线(平行双线)施加13MHz左右的高频电压。线路远端既可以连接起来,也可以分离。受电器为使用线圈的普通结构。


    比线圈式容易安装


    设想的用途是为行驶中的纯电动车等移动体充电。例如,在工厂的工业机器人通道或者车道旁的人行道上设置平行双线,为装有受电器的机器人、纯电动车、电动巴士、自行车及行人的智能手机等充电。


    据冈田等人介绍,与排列多个线圈作为供电器的传统技术相比,新技术具有以下两个优点:(1)供电器容易安装,(2)供电效率不易受到供电器与受电器之间位置关系的影响。


    平行双线技术的供电效率同样对位置存在依赖性。这是因为,平行双线存在电流密度的驻波,“波幅”与“波节”处能够传输的电力大不相同。冈田等人认为,这一问题可以通过将波节部分的线路弯曲等措施来解决。


    找到阻抗匹配条件


    平行双线之所以能够成为无线充电系统的供电器,是因为冈田等人找到了在其接近受电线圈时、包括负载在内的整个系统达到阻抗匹配的匹配条件。具体而言,冈田等人已经证实,平行双线与受电器及负载的磁场耦合时的等效电路等价於高通滤波器(HPF)。HPF起着使电源与负载的阻抗相匹配的阻抗转换器的作用。当受电器在线路上移动时,系统的阻抗匹配条件除了受导线粗细及导线间距等的影响之外,还受到受电线圈在线路上的位置的影响。因此,装有受电器的移动体沿着平行双线移动时,需要利用嵌在电源一侧的匹配器,对系统的阻抗进行动态匹配。这种匹配器的开发由大阪变压器负责。


    尽管业界已经开发出好几种线路型无线供电系统,但此次的技术与这些系统均不相同。比如,日本丰桥技术科学大学电气电子信息工程系教授大平孝的研究小组利用的是电场耦合,而平行双线技术利用的是磁场耦合。


    龙谷大学理工学院电子信息系教授石崎俊雄的研究室和RyuTech正在开发的线路状无线供电系统利用的是磁场耦合,但供电器使用名为“微带线”(Microstrip Line)的、可以传输电磁波的导电体。而平行双线方式供电系统则是电磁场在线路上形成驻波。

 

    利用轨道模型玩具试制的无线充电系统的演示(上)与线路及受电线圈的放大图(下)

 


    利用轨道模型玩具确认系统运行情况


    在利用轨道模型玩具试制的无线供电系统中,传输40W的电力时,传输效率比其他方法高出几个百分点。而且,这还是在没有对受电线圈的阻抗进行控制的情况下。


    据介绍,如果结合受电线圈的阻抗控制,按照理论计算,即使考虑到导线的电阻和涡电流造成的损失(导损),最大效率也可提高到85%左右。如果没有导损,理论效率将达到100%。 (日经技术在线!供稿)


    磁场耦合时的系统特性阻抗ZF在满足ZF=2πf0M的条件时,可达到系统的阻抗匹配,从供电器经由受电器向负载传输电力。f0为频率,M为互感系数。(该图来源於奈良先端科学技术大学院大学)

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