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磁共振充电技术和电磁感应充电区别
来源: | 作者:admin | 发布时间: 2021-01-14 | 11 次浏览 | 分享到:

       磁感应和磁共振,两种技术就是猫叫了咪而已,被MIT夸大宣传出来的“不同分类”,国内越来越多高校,研究机构和企业与我们交流的时候已经清楚这一点。学术圈内,Kaist的CT Rim,香港大学的S.Y. Ron Hui还有奥克兰大学的G. Covic连同J. Boys都发文澄清过这一点。非常推荐S.Y.Ron Hui老师的“Magnetic Resonance for Wireless power transfer”。Ron Hui老师是QI标准的创立人,文章是WPT发展的review,按照时间线讲述,写的非常清晰直接,具体大家可以翻到“2007”。

       而所谓的“磁感应”技术一直都是需要谐振的,与”磁共振”相比可能唯一不同就是电路品质因数不一样。品质因数高的电路稳定性极差,并且是目前闭环控制不能解决的问题。MIT的数学模型采用传输膜理论,和通常的基于有限元分析的电路模型结果吻合,实质上没有他们宣称所谓的“witricity非辐射场”(宏观世界敢有任何新的理论或者场的发现都是诺贝尔奖级别的成果)。并且文章原理上有概念错误及误导,例如耦合系数大于1,效率定义为Transfer Efficiency大约是40%(而不是通常意义上的DCDC的Efficiency,DCDC只有15%,非常混淆和具有误导性)。所以MIT在07年之后一直都没有推出长距离输电的相应产品。他们演示的电路是经过精心微调后摆拍的,那个东西根本不能用。具体电路设计非常简单,甚至不需要四线圈与高频,原副边串联串联谐振,把电路品质因数做到30-50以上,传输距离就很远了,传输效果取决于逆变器设计好坏,60CM线圈2米左右有点基础的本科生大概就可以,绕两个线圈工作在谐振点,微调频率找到传输最大功率的状态。

       所以无线输电技术其实很好入门,原理还是一百年前Tesla的,验证原理的系统非常好搭,例如,MIT的那个2米无线传输系统。之前接触到的国内机构,做了一米传输距离,90%+效率的kw功率系统就认为自己接近世界先进水平了,需要补外文文献呐!然而,真正的无线输电技术很难,也非常的专业,需要至少掌握电路分析,磁场分析及控制理论等,也需要一些数学的功底。


(A3纸铺开需要四页左右,才可以推导到导入MATLAB脚本里解方程的程度。这个系统在耦合系数k变化的条件下可以做到功率稳定传输,而且无功功率在定频情况下亦不需要补偿,电路可以做到零切)


一些高阶谐振电路分析很繁琐,工作量很大。


       很多人说WPT后面没有方向做,但是通常事实是,不在世界一流实验室确实不太容易看到发展的方向。例如,串联串联谐振调频维持在谐振点,加dcdc控制阻抗,这样的系统是很难发出好文章的(当然ETH,Kolar的多目标优化就是采用类似方案,确实在工业设计方面让人非常佩服,做到这个“重剑无锋”的完成度也可以)。无线输电问题还有很多,现在整个系统还不能称作成熟(大功率系统)。而且现在分工越来越精细,需要一个大的研究组才能支撑全套设计(奥大目前不完全统计大概有30个博士在做相关研究)。其中包括,pad结构,漏磁及辐射,参数测量,补偿拓扑,converter拓扑,控制算法,系统优化等。这还不包括线圈通信,异物检测等。也不包括基于电场的无线输电技术(CPT),基于超声波的无线输电技术(UPT)等。不知道后面有没有人能够做一个Litz wire的PhD,那将是全人类共有的财富,而且毕业论文绝对壮观!

        无线输电是一个非常好的技术,在需要非接触供电的领域有着广阔的应用。但是像WiFi那样无线给手机充电,目前工程上真的是”臣妾做不到啊”。主要问题有两点,一是磁场耦合系数过小,原边需要较强的磁场才能将能量传输过去;这就导致了二,强磁场条件下长时间会不会对人产生危害。大量的空白对比实验在小老鼠身上的结果是“没有结果”,但是潜在风险导致商用系统必须要过类似QI这样的无线输电标准,QI标准系统很难用,但是工程上的确是合理的取舍。

       无线输电也是未来电力电子的发展方向之一,不仅在于可以无线输电,它是传统DCDC变换器设计的延续。它类似于一个这样的课题,例如,LLC谐振变换器在变压器设计很差的情况下,如何做到功率传输与控制(不懂LLC哦)。很差的变压器是指漏感很大,耦合系数k很低,而这个松耦合变压器的自感,漏感值又都在随着位置的不同而变化。因为k小,就需要谐振补偿无功,这样电路的阶数一下子就上去了,数学分析很复杂(考虑非谐振点工作状态)。现在国内几乎每个大学都有老师在做无线输电,相信以后会有更多!

       无线输电技术蛮多人都在问都功率和效率,个人觉得可能需要先把稳定性,偏移下功率调节做好,效率优化的优先级或许并不是最高的,而效率优化通常在系统成熟后产业化之前做较好。无线输电模型也仍然有不成熟的地方,高阶谐振电路加上即时变化的电路参数,很难。很多参数暂时还不能直接测量,例如Pad的Rac,或称作pad的Q。模型不准确一些优化就不能实施,同时一些控制就难以应用,特别是再考虑一些暂态过程(Dynamic charging)。

        磁路设计的核心是通过优化磁场而让系统在考虑传输板偏移条件下稳定供电,所以供电的“稳定性”才是设计的核心,磁场优化只是手段而已。供电稳定性当然可以通过加入闭环去做,但是忽视磁场设计的闭环系统不仅成本高,而且需要较多级级连(原副边控制),可靠性方面也会比较差效率也因为级连而降低,可能可以用“事半功倍”来形容吧(效率kQ那个方程是假定系统谐振并且所有参数都掌握的情况写出的优化,可以帮助了解系统的极限)。现在大功率系统的设计全部被Qualcomm收购(Halo),小功率系统的设计专利全部被Apple 收购(PowerbyProxi),也算是获得业内认可的吧。

节选
链接:https://www.zhihu.com/question/31298213/answer/321483558
来源:知乎