无线输电发展动态及新趋向

傅 林*，李寿强

(成都工业学院 a.通信工程学院;b.电子工程学院，成都 611730)

无线数据进入浸入式阶段，实现无线输电，已成为人类一个迫切的需求。无线输电的研究，经历了首创［1-2］、探索［3-8］、初步应用、集团竞争标准化和部分商用化5个发展阶段，其系统由发送和接收二大部分组成，形成三大主流集团竞争标准及其组织:无线充电联盟(WirelessPowerConsortium，WPC)［13］，电源事物联盟 (Power Matters Alliance，PMA)和无线充电联盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)［14］、iNPOFi(invisible power field);呈现便利性等四大优势;面对医疗机器人、便携式和运动式电子设备、升空平台HAP、智能家居等十大应用领域，取得了大量的研究和开发成果［9-21］。但是，在同类研究中所使用的名称没有统一，不利于交流推广;而且所提出的7种主要实现方式，均需克服六大发展瓶颈，优化效率、最大传输功率、传输距离、工作频率、成本与价格等八大指标，亟待解决九大关键技术，出现了新的研究动态及趋向。

1 定义及比较

无线输电是指不通过可见物理媒质的接触而进行电能传输的技术，无线充电只是其一方面的含义。无线输电此前有多种名称，如无线电能传输、非接触能量传输、无线供电［22-25］等。笔者认为，采用“无线输电”最佳:强调无尾化、强调传输、强调传送的是电能。

无线输电主要有7种实现方式［27-28］。无线输电系统的组成如图1所示，其基本框架和过程与无线通信相似，只是它传输的是能量而不是信息。信息传输与能量传输的主要区别是:信息传输已经数字化，可以将信息分节、割块、打包传输，且可以校验和纠错;能量传输目前只能模拟传输，且在传输过程中的能量损耗只能进行补充，而不能实现旧能量的重传。此外，它也需要一定的信息传输来为能量传输服务。

图1 无线输电系统框图

目前，无线电波和激光方式是远距离或大功率无线输电的重点研究对象;超声方式主要应用于植入式医疗设备以及航天和军工领域密闭环境内的电子设备;iNPOFi前途未卜;感应式和共振式是主流。感应式通过可分离变压器传输能量，共振式是使发送和接收线圈在某一频率谐振而传输能量。二者的主要区别是:感应式是WPC的支柱技术，适用于小功率、近距离无线输电，即将发布的Qi标准V1.2规定其传输距离为45 mm、最大功率2 kW;共振式传输距离较远，功率也较大，是A4WP的主攻技术，主要面向电动汽车等大功率中距离无线输电领域。工作频率不同:感应式的Qi标准规定为100～205 kHz，PMA为277～357 kHz;共振式为6.765～6.795 MHz。共振式宣称没有严格的方向性限制，支持多维传输;而感应式对负载位置和方向性要求较高，使得它只能一对一输电，Qi标准1.2版要支持多维输电，但解决方案不详。最后，感应式需要屏蔽。

各主要方式传输机理不同，适用性不同，各有优缺点，支持的厂商也不一，如表1所示［29-34］。

表1 几种主要无线输电技术比较

2 克服六大发展瓶颈

无线输电六大发展瓶颈中，价格是经济指标，但突破这个瓶颈必须靠技术;标准障碍受社会、竞争等因素制约，终极原因及其解决方法还是技术。传输效率低是因为很大一部分能量都会在能量转换和传播中丢失和损耗。传输能量低的原因是:1)技术自身:大功率无线输电实现困难;2)社会约束:如GB 8702—2014《电磁环境控制限值》和ICNIRP和FCC等的规定，以及人们对电磁辐射的恐惧心理。电磁兼容难是由于无线输电过程中电磁干扰三要素无时不同在。频率资源紧张是因为无线电频谱早已划分完毕，无线输电技术所需频谱资源与既定分配结果有所冲突。笔者认为:要彻底解决这些瓶颈，必须做好以下工作。

2.1 将理论研究深入到底

无线输电亟待解决的理论问题包括3个方面:1)理论自身:系统传输机理、电磁散射，损耗、频率、非线性、功率因素特性，具体如感应方式的磁路问题、共振方式的无方向性问题等，还停留于粗糙定性和实验水平。笔者认为:能量数字化是解决无线输电的突破口之一，借助于数字化的优势，无线输电有望像无线数据那样灵活、方便;工程技术方面首先要研制大功率ADC/DAC，4位足够，能解决编码传输即可。2)工程化理论:建模、边值问题求解(尤其是对移动和运动目标)、场和路的转换及其计算等;解决电路仿真难题，包括控制芯片、自制元件IBIS模型建立和共享。3)定量研究电磁辐射危害及其社会心理影响，解决用户群敢用、乐用等问题。笔者认为:结合小波分析理论与电磁数值计算方法应该是一个大方向，但目前此类研究还很少。

2.2 精确建模

对所有方式，效率、功率、频率瓶颈和传输距离相互制约，紧密联系，不可能同时得到完美解决，成为无线输电的终极瓶颈。需要精确建模，原则是依据能效距指标。文献［35-36］提出利用能效积，但能效积概念没有体现频率和距离的约束。笔者提出的能效距概念是指在成本等条件约束下，负载率、效率和距离的乘积，该值越大越好。设计时要以能效距约束，合理建模并求最优解;运行时系统遵照该指标，根据传输距离，控制输电功率，保证效率最高的方式加以解决。

2.3 突破频率资源瓶颈

无线输电系统所用频率基本都与既定分配结果冲突，如WPC标准的190～205 kHz在中国大陆地区为航空管制频段。而无线输电需要传输一定的信息为能量传输服务，其通信子系统要占用不同的频段或波段;其辐射限值要受到IEC 14443《超短距离智慧卡标准》、IEC 15693《短距离智慧卡标准》等标准的约束，以保证电磁兼容性。笔者认为:解决办法是修订无线电波频谱规定为无线输电开路，如韩国的MSIP和RRA规定6.78 MHz标称频带用于共振式无线输电装置。

2.4 统一标准

标准的多样且互不兼容和集团竞争成了无线输电技术发展的一大障碍:1)产品兼容困难，会造成用户和市场的选择性丢失，给芯片和终端制造商造成窘境，导致芯片和终端产品不得不从单模走向双模或三模。2)阻碍标准自身成为真正的国际标准，直到目前，无线输电的标准还没有一个被接纳为IEC/ISO/IEEE标准的。笔者认为:统一标准是大势所趋。目前，PMA和W4AP已经合并，相信最后WPC也会参与合并，当然，这依赖于多模兼容关键技术的突破，以及竞争妥协。

3 解决九大关键技术

无线输电的可靠性和电磁兼容技术内涵极为丰富，不予赘述;相关芯片及原材料设计制造技术由相应的供货商解决;测试认证技术涉及面很广;仿真技术要求开发专业的平台，供货商提供芯片、元器件IBIS模型。本文主要论述以下几个方面。

3.1 换能器研制技术

换能器的优劣决定着无线输电的一种具体系统乃至一种方式的生存。其中感应式和共振式的线圈以及无线电波方式的天线设计和制造是关键。笔者认为:1)优化设计平面螺旋单线圈是一个方向，有利于减小体积、降低成本;2)研制新型整流二极管、研发新型频率选择表面，结合MEMS技术优化设计整流天线及其阵列是一大趋势。参见3.4。

3.2 工作频率选择和稳定技术

工作频率选择是指在不同场合如何确定传能频率，在多维传能情况下如何分配频点;笔者认为:借助认知无线电技术能更智能地解决这个问题。

为确保工作频率的准确性和稳定性，笔者认为:关键是要对整个系统电路进行优化设计，包括元器件和材料的优选，以及制造工艺的优化。特别是对于共振方式，要结合偶合模理论、场论、混沌理论、随机共振理论等分析和综合系统传能机理以及电路的非线性特性，研究和解决系统频率分叉和鞍点现象。

3.3 多模兼容技术

为了充分体现无线输电的便利性和智能性等，推进标准统一，笔者提出多模兼容技术，它是指同一个系统兼容实现多种无线输电方式并且支持相应的标准;建议在发送端采用多模合体设计，在接收端增加智能能宿识别器加以解决。目前IDT、TI等公司已提出了双模或三模芯片解决方案，以支持不同无线输电方式及其标准。

3.4 信能同传技术

笔者提出信能同传技术，是强调同一套系统既传信又传能。主要包括3方面的内涵:传信与传能如何合体;如何区分和检测信息与能量;如何利用传信对传能进行实时检测和控制。传信包括电能传输链路通信，电能传输信息和数据管理网络通信等。因此，无线输电系统的通信天线和传能换能器必须合二为一，如Renesas推出的业内首款NFC无线充电方案。

3.5 自适应负载识别技术

自适应负载识别技术是指智能自动识别负载，定位和负载特性确认，包括不同种类负载、同一种类负载参数差异辨识，异物辨识等。笔者认为:结合人工智能、计算智能、云计算和自适应控制等理论、工程技术可以很好地解决无线输电的智能性、自动性和自适应性。具体包括系统智能算法设计，如自适应负载识别算法，负载自适应频率分配算法，实时通信控制算法，输电链路建立和撤销算法，能效距最大化算法、电能计量算法、终端智能人机界面设计技术、智能运营系统软件等等。其中，电能计量算法，要考虑系统的效率，必须把损耗的能量费用由用户承担。

4 展望

无线输电概念应该统一。从深入理论研究、科学建模等方面，突破无线输电具有共性的6个发展瓶颈;解决9个关键技术的突破口有:把能效距指标作为建模和营运原则，研究能量数字化，信能同传，多模兼容和标准归一。除了电源插座至终端，整个电网各个环节都采用无线输电的方式，对方兴未艾的智能电网意义重大。

［1］TESLA N.The transmission of electric energy without wires［J］.Electrical World＆ Engineer，1904.

［2］TESLA N.Experiments with alternate currents of high potential and high frequency［J］.Electrical Engineers Journal of the Institution of，2010，21(97):51.

［3］BROWN W C.The history of power transmission by radio waves［J］.Microwave Theorys ＆ stechniques，IEEE Transactions on，1984，32(9):1230-1242.

［4］BROWN W C.The history of the development of the rectenna［J］.Proc.SPS Microwave Systems Workshop at JSC-NASA，1980:271-280.

［5］GLASER P E.Power from the sun:its future.［J］.Science，1968，162(3856):857-861.

［6］MCSPADDEN J C，MANKINS J C.Space solar power programs and microwave wirelesspowertransmission technology［J］. IEEE Microwave Magazine，2002，3(4):46-57.

［7］林为干，赵愉深，文舸一，等.微波输电，现代化建设的生力军［J］.科技导报，1994(3):31-34.

［8］SAMPLE A P，SMITH J R.Experimental results with two wireless power transfer systems［C］//2009 IEEE Radio and Wireless Symposium，2009:16-18.

［9］WPC.System description wireless power transfer volume I:low power part 1:interface definition version 1.1.2.［S］.2013.

［10］A4WP.A4WP wireless power transfer system baseline system specification(BSS)V1.2.1.［S］.2014.

［11］邓亚峰.无线供电技术［M］.北京:冶金工业出版社，2013.

［12］中国科协学会学术部.无线电能传输关键技术问题与应用前景［M］.北京:中国科学技术出版社，2012.

［13］杨庆新，张献，李阳.无线电能传输技术及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2014.

［14］KIM K Y.Wireless power transfer-principles and engineering explorations［M］.Intech，2012.

［15］KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］.Science，2007(317):83-85.

［16］WEI X Z，WANG Z S，DAI H F.A critical review of wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］.energies，2014，7(7):4316-4341.

［17］YOON J H，LEE K D，KIM J H，et al.Wireless power transfser:US，20120217926［P］.2012-08-30.

［18］KENNETH W D，MACMASTER G H.Solid state solar to microwave energy converter system and apparatus:US，3933323［P］.1976-10-20.

［19］DAILEY，CARROLL C.Microwave power receiving antenna:US，3535543［P］.1970-01-20.

［20］NIKOLA T.Alternating Electric Current Generator:US，447921［P］.1891-03-20.

［21］ZHANG R，KEONG HO C.MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer［J］. Wireless Communications IEEE Transactions on，2011，12(5):1989-2001.

［22］杨民生.非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究［D］.长沙:湖南大学，2011.

［23］毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2006.

［24］李玉鹏.用于家用电器的无线供电关键技术研究［D］.重庆:重庆大学，2013.

［25］顾佳炜.非接触供电系统工程化关键技术及其应用研究［D］.南京:南京航空航天大学，2013.

［26］庞明鑫.非接触式超声电能传递装置的设计理论及实验研究［D］.太原:太原理工大学，2010.

［27］曹靓逸.无线充电概念受追捧［N］.中华工商时报，2013-11-19(3).

［28］陈鹏.电磁辐射为0电能效率转换逾90%［N］.大连日报，2013-10-30(A01).

［29］刘文业.高效能整流系统理论及关键技术研究［D］.长沙:湖南大学，2014.

［30］戴欣，孙跃，苏玉刚，等.感应电能传输系统参数辨识与恒流控制［J］.重庆大学学报，2011，34(6):98-104.

［31］吴亮亮.无接触供电动态载荷的自适应技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2013.

［32］张鹏翀.小功率无线能量传输系统关键技术研究［D］.南京:南京理工大学，2013.

［33］郭言平.无线充电的关键技术和研究［J］.合肥学院学报(自然科学版)，2012(1):72-74.

［34］孙述.非接触电能传输关键技术研究［J］.机械研究与应用，2012(5):148-151.

［35］夏晨阳.感应耦合电能传输系统能效特性的分析与优化研究［D］.重庆:重庆大学，2010.

［36］张宇帆.非接触感应耦合电能传输系统的优化分析与频率跟踪控制［D］.重庆:重庆大学，2011.