无线电能传输技术发展及研究方向浅析

王敏星 李大伟

摘要：目前无线电能能够传输技术成为一个新兴的研究方向。首先介绍了目前几种主流的无线电能传输技术，针对比较有前景的的磁耦合谐振式无线电能传输和借助磁材料的无线电能传输方式，从目前研究的几个重要方向分别就其研究问题、研究内容和研究趋势进行浅析，并对未来的发展进行了展望。

关键词：无线电能传输；非接触；磁耦合；共振

作者简介：王敏星（1964-），男，河南济源人，河南省济源市质量技术监督局，工程师；李大伟（1987-），男，河南济源人，河南省电力公司济源供电公司。（河南 济源 459000）

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0263-03

无线电能传输技术（WPT，Wireless Power transfer）能够实现无导线连接情况下的电能传递，在医学应用、矿井采掘、移动设备充电等特殊场合具有较大的应用前景。随着移动通信设备、物联网、电动汽车等技术的快速发展，近年来发展非常迅速，并且取得了较大的进展。伴随着研究和市场化的不断深入，作为一种前景广阔的电能传输方式，在电磁兼容、人体健康和传输效率等方面都产生新的研究问题，需要进一步明晰研究方向并针对存在的问题深入研究。

一、无线电能传输技术的方式

虽然采用超声波和其他机械波能够无线传输能量，但目前无线电能传输的主流方式仍是利用电磁场传输能量。从频率的角度来说，采用的频率包括从若干GHz跨越到若干kHz的广大范围。在较高频率段，利用微波传输能量（甚高频以上的频率范围，频率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通过控制发射天线的朝向使能量以电磁波的形式准确发射到接收天线。该方法传输方向性较强、传输距离较远，但易被障碍物遮挡，还需要较复杂的天线对准装置。而且高频电磁波的生物安全性较差，高功率的电磁波对人体有较大伤害，因此在民用领域应用的机会较少。磁耦合谐振式无线电能传输方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁场频率在10MHz以下，通过电谐振体之间的耦合磁场来传输电能。这种方法可以在一定的距离（几厘米到几米）范围内传送能量，功率值可以达到几百瓦。而感应耦合无线电能传输方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁场的耦合程度，可以传送较大的功率，效率较高。但由于磁材料的限制，工作频率不宜过高，通常在1MHz以下。在距离增大时，磁材料之间的气隙增加，耦合程度急剧降低，因此传输距离相对较近（常常在几毫米到几十厘米）。在民用和工业应用中，磁耦合谐振式无线电能传输（MCRWPT）和感应耦合式（MIWPT）的传输距离基本满足常用设备的充电距离要求，从理论上能够获得更大的功率和更高的效率，因此具有较大前景，是目前研究的热点。本文从几个方面介绍此两项技术的研究与发展。

二、研究内容和研究方向

1.基本理论和技术研究

率及效率的模型研究：目前对无线电能传输方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]电磁场分析方法、[3，4]等效电路法[5]等。

耦合模方法可见文献[1]所采用的基本方程表达式：

（1）

其中：为代表谐振体中的能量；为激励角频率；为自损耗系数；为谐振体m和n之间的耦合系数；为代表外加驱动的驱动项。

其基本思想是，给出系统的源、损耗及特征量，通过求解器损耗与特征量的关系，即求得系统效率及传输功率的解。电磁场方法根据电磁场理论求解电磁场方程，以此求得传输效率等结果。而等效电路方法主要针对磁耦合的特点，利用电路理论求解电路方程，以此获得系统的结果。

几种建模方法各有优劣：耦合模方法可以从能量角度进行分析，但是不够直观；电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[3]，理论上可以计算出耦合磁场能量传输细节。但过于复杂性，不便于系统设计和参数优化。通常借助电磁场仿真软件以求得分部场的直观数值解。等效电路法应用直观，是目前采用较多的方法，但是由于对电磁场进行了低频简化，对高频条件下电磁特性描述较粗略，不利于有关电磁场方面的研究。理论未来的研究方向将建立更加准确和合理的分析模型，甚至提出更加新颖的传输模式，从理论高度提高系统的指标，并以此指导设计和制造无线电能传输装置。

第二，线圈结构及设计。根据电路互感模型的一般结构，如图2所示。

通常可以得到以下矩阵形式的方程：

（2）

谐振条件下传输效率：

线圈2在线圈1中产生的反映阻抗为，可見反映阻抗中负载侧电阻值位于分母中，对于源侧的影响变为负向变化。即负载侧电阻值越高，传输效率越小。实际电路中，通常源内阻和负载线圈侧的电阻RB2往往较大。因此，双线圈结构传输效率往往较低。但根据上述分析，通过改变系统线圈结构和数量，可以改变不同线圈中的反映阻抗，进而改变耦合系统的效率、传输功率和传输效率。因此出现了三线圈[5]、四线圈[1]和多线圈[6]等情况。

第三，参数匹配方法及参数设计。在确定整体结构形式的基础上，还需要计算和均衡线圈的各项参数。线圈按照谐振的形式主要有自谐振线圈和电容-线圈谐振线圈。按照线圈的缠绕方式可分为密绕线圈、平面线圈、螺旋线圈等。电路参数主要有电感值、电容值和电阻值等。对于高频线圈还存在着寄生电容等高频参数。在分析和设计中，对上述参数进行优化，通过增加耦合程度、减少内阻和提高品质因数以提高系统性能。目前的研究主要集中在线圈结构和参数设计等方面，[7]针对线圈的新构形和新材料的研究也是一个重要的研究方向。

2.无线电能传输的激励源

激励源是无线电能传输的核心元件。相对于普通的高频信号源和开关电源，激励源不但工作在高频条件下，而且还要承担功率变换的功能。作为能量传输路径中第一个环节，对无线电能传输系统的总体指标的影响非常显著。而且由于电路中谐振作用，功率元件往往要承受谐振电压或者谐振电流的冲击，其数值会远超过系统输入电压或者输入电流。因此，无线电能传输的激励源设计更加困难。目前多采用的是D类开关型和E类谐振型放大电路。按照功率元件的数量和结构，有单管、非对称半桥、全桥等。该方向的发展方向是实现高频大功率条件下的高效率、低损耗和微型化，设计出更加适合无线电能传输的专用高频激励源。

3.電路结构研究

由于无线电能传输技术的应用范围愈加广阔，需要适应和满足更加苛刻和多样化的工作条件与限制。例如为了实现电动汽车在电网运行中能量缓冲的作用，无线充电装置不仅需要单向充电，而且还需要将能量从电动汽车反向传输给电网。医用领域中对系统的体积和可靠性指标的要求非常苛刻，因此无线电能传输装置既要尽量压缩体积、提高可靠性，而且还要实现能量和信号的同时传输。越来越多新的应用呼唤更加多功能和更强适应性的无线电能传输装置。因此需要提出更多新型的多功能电路结构，以增强电路的紧凑性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]

4.标准、规章及医学影响

目前，已经出现了三个主要的无线电能传输标准（联盟），其中Qi联盟成立于2008年12月，目前已推出针对便携电子产品的低于5W以下设备的标准，未来还将会提出更大功率的标准进而形成体系。[10]

对人体影响的疑虑贯穿于整个无线电能技术的发展，这方面的研究始终是重点之一，包括医学相关性、辐射限制和磁场控制等多个方面。目前多采用计算机仿真和人体模拟的方式研究对人体的影响。未来将会进一步深入研究无线电能传输装置的生物性影响；同时，通过技术手段减少磁场泄露和影响，以满足相关的限制性标准。

5.医学应用研究

由于无线电能传输避免了导线的束缚，人体内部植入设备的应用将会变得非常便利，因此无线电能传输在医学方面的应用始终受到最大的关注。[11]但人体内植入设备中，体积要求十分苛刻而且传输路径需要经过人体组织。因此提高微小尺寸线圈的品质因数，提高传输效率[12]和研究高频电磁场对人体组织的影响是目前的主要研究方向。现在，无线电能传输技术在经皮植入装置、心脏起搏器、消化道机器人等方面已经取得了长足的进步。通过无线电能传输技术的应用，未来人体植入医疗设备将会有较大的发展，会大大改变人类的诊断和治疗方式。

6.电动汽车充电装置

由于具有无接触、无连接和无漏电的特性，无线电能充电装置在电动汽车充电领域具有较大的应用前景，已经成为无线电能传输的一个热门研究方向，而且正在逐步实用化。主要分为固定式和移动式两大方向。固定式在充电过程中车体保持不动，其传输距离和传输功率已经能够满足电动汽车底盘高度、电动汽车充电功率的要求。移动式电动汽车无线充电方式可以随时向行进中的电动汽车补充能量，因此可以减少相同运行里程条件下电动汽车所需的电池容量。目前，电动汽车充电技术的主要研究方向是进一步提高传输效率、距离和功率，并且针对偏移情况、双向传输、控制方式等问题展开研究。电动汽车的无线充电技术将会推动电动汽车的实用进程，无线充电技术的需求也将越来越大，市场前景更加广阔。

三、结论

无线电能传输技术经过几年的快速发展，其发展趋势愈加迅猛。未来的研究将更加深入和细致，并且进一步向应用方向推进，实用化脚步愈发加快。随着研究内容更加深入及人们对该技术的逐渐接受和认可，未来其市场和应用前景更加广阔。

参考文献：

[1]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science，2007，317（5834）：83-86.

[2]Kiani M，Ghovanloo M.The Circuit Theory Behind Coupled-Mode Magnetic Resonance-Based Wireless Power Transmission[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2012，59（9）：2065-2074.

[3]Zeljko Pantic and Srdjan Lukic.Computationally-Efficient，Generalized Expressions for the Proximity -Effect in Multi-Layer，Multi-Turn Tubular Coils for Wireless Power Transfer Systems[J].IEEE Transaction s on Magnetic，2013，49（11）：504-5416.

[4]Jaechun L，Sangwook N.Fundamental Aspects of near-Field Coupling Small Antennas for Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（11）：3442-3449.

[5]Dukju Ahn and Songcheol Hong，A Study on Magnetic Field Repeater in Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（1）：360-371.

[6]Lee C，Zhong W，Hui S.Effects of Magnetic Coupling of Non-Adjacent Resonators on Wireless Power Domino- Resonator Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（4）：1905-1916.

[7]Bernd Breitkreutz and Heino Henke，Calculation of Self-Resonant Spiral Coils for Wireless Power Transfer Systems With a Transmission Line Approach[J].IEEE Transactions on Magnetics，2013，49（9）：5035-5042.

[8]Bawa G，Ghovanloo M.Active High Power Conversion Efficiency Rectifier with Built-in Dual-Mode Back Telemetry in Standard Cmos Technology[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2（3）：184-192.

[9]Wang G，Liu W，Sivaprakasam M，et al.Design and Analysis of an Adaptive Transcutaneous Power Telemetry for Biomedical Implants[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2005，52（10）：2109-2117.

[10]S.Y.Hui，Planar Wireless Charging Technology for Portable Electronic Products and Qi[J].Proceedings of the IEEE，2013，101（6）：1290-1301.

[11]Hao Jiang ，Junmin Zhang，et al.Low-Frequency Versatile Wireless Power Transfer Technology for Biomedical Implants[J].IEEE Transactions on Biomedical circuit and System，2013，7（4）：526-535.

[12]Jow U-M，Ghovanloo M.Modeling and Optimization of Printed Spiral Coils in Air，Saline，and Muscle Tissue Environments[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2009，3（5）：339-347.

（責任编辑：王祝萍）