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通过电磁场优化实现房间尺度下安全高效的百瓦级无线电力传输
Safe and Efficient Hundred-Watt-Level Wireless Power Transfer in Room-Scale Spaces Through Electromagnetic Field Optimization
| 作者 | Tong Li · Siqi Li · Xingpeng Yu · Yaju Yuan · Sizhao Lu · Zhe Liu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 磁共振无线电能传输 电子设备充电 电磁安全 线圈补偿 功率传输 |
语言:
中文摘要
本文深入探讨了用于电子设备(如笔记本电脑和智能手机)房间级充电的磁共振无线电能传输(MR - WPT)技术。具体设计了一个利用多个大型单匝圆形线圈的系统,重点是在国际非电离辐射防护委员会指南(2020 年)规定的暴露限制范围内,优化谐振频率和线圈电流,以最大化电磁(EM)功率流,确保符合电磁安全标准。为减轻电场效应,引入了一种针对每个线圈采用电容分布式补偿和并联激励的新方法。提出了一种补偿参数设计方法,以实现各线圈间的均匀电流分布,特别是在高互耦条件下。通过对不同场景下的比吸收率(SAR)和空间电磁场进行有限元分析,评估了该系统的电磁安全性。此外,对电磁场进行了实验测试,并通过仿真和实验分析了对金属物体的热效应。构建了一个圆柱形房间模型(直径 3 米、高 2.4 米、空间 17 立方米)用于系统测试。结果表明,该系统使用 iPad 大小的接收器时,能够以 46%的效率传输超过 100 瓦的功率;当三个接收器同时工作时,能够以 70%的效率传输 375 瓦的功率。在电子设备的典型使用空间中,单个接收器可维持 40 瓦的功率传输。
English Abstract
This article delves into magnetic resonance wireless power transfer (MR-WPT) for room-scale charging of electronic devices, such as laptops and smartphones. A system utilizing multiple large single-turn circular coils is specifically designed, with a focus on optimizing resonant frequency and coil current to maximize electromagnetic (EM) power flow within exposure constraints defined by the International Commission on Nonionizing Radiation Protection guidelines (2020), ensuring compliance with EM safety standards. To mitigate electric field effects, a novel approach employing capacitor-distributed compensation and parallel excitation for each coil is introduced. A compensation parameter design method is proposed to achieve uniform current distribution across coils, especially in high cross-coupling conditions. The system's EM safety is evaluated through finite element analysis of specific absorption rates (SAR) and spatial EM field in various scenarios. Additionally, the EM field was experimentally tested, and both simulations and experiments analyzed the thermal effects on metallic objects. A cylindrical room model (3 m diameter, 2.4 m height, 17 m³ space) is constructed for system testing. Results demonstrate the system's capability to transfer over 100 W of power at 46% efficiency using an iPad-sized receiver, and transfer 375 W at 70% efficiency with three receivers operating concurrently. In the typical space for electronic device usage, a single receiver maintains a power transmission of 40 W.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项磁共振无线电力传输技术展现出与我司储能系统和新能源生态整合的潜在价值。该技术实现了房间尺度内百瓦级的安全高效无线充电,其核心优势在于通过电磁场优化确保符合国际非电离辐射防护委员会的安全标准,这为室内能源分配提供了新思路。
对于阳光电源而言,该技术最直接的应用场景是与户用储能系统的协同。我司的家庭储能产品可作为无线充电系统的能源供给端,将光伏发电或电网储能通过无线方式传输至终端设备,构建真正的"无线智慧家居能源网络"。论文中提到的17立方米空间内实现375W多设备并发充电(70%效率),这一性能指标对于家庭场景已具备实用价值,可覆盖笔记本、平板等中功率设备的常态化使用需求。
技术层面值得关注的是其电容分布式补偿和并联激励方案,有效抑制了电场效应并实现了高交叉耦合条件下的均流控制。这种多线圈协同控制的思路与我司在储能系统BMS和逆变器并机控制方面的技术积累存在共通性,具备技术迁移的可能性。
然而,该技术目前仍面临明显挑战:46%的单接收端效率相比我司光伏逆变器99%的转换效率存在显著差距;金属物体的热效应问题需要在实际部署中特别考量;房间尺度的基础设施改造成本较高。短期内,该技术更适合作为高端住宅储能解决方案的增值功能进行小规模试点,而非大规模商业化部署。长远来看,若效率能提升至80%以上,结合我司在能源管理系统的优势,可能开辟新的市场空间。