无线电能传输技术研究现状及应用前景

陈尚+陈曦冉

摘要：随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，特别是一些特定的场合，相比于传统电线供电方式，无线电能传输技术具有自己独特的优势，可以极大地提高设备供电的可靠性、便携性和安全性。该文在讲无线电能传输技术发展历史的基础上，阐述了现有几种无线电能传输技术的基本结构和工作原理，最后对无线电能传输技术应用前景和发展趋势进行了探讨与展望。

关键词：无线电能传输；磁谐振耦合；磁感应耦合；微波辐射

中图分类号：TB97 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0240-03

作为一种传输技术，无线电能传输（WPT）传输能量主要依靠电磁波或电磁场。无线电能传输的方式有三种：一是电磁感应式，经常应用于功率较低、距离较近的电能传输。二是电磁共振式，经常应用于功率中等、距离中等的电能传输。三是电磁辐射式，经常应用于功率较大、距离较远的电能传输。近些年来，无论是电力电子器件，还是功率变换、材料学以及控制技术等都得到了长足的发展，伴随着这种形势，逐渐的无线电能传输变成了现实，受到的关注也是越来越多。传统的电力传送采用的传送载体主要是电缆线。采用这种方式进行电力传输，摩擦和传输损耗都难以避免，加之如果线路老化，再有尖端放电等因素的影响，很容易因为接触产生火花，这对于供电安全来讲，无疑是致命的缺陷，根本没有什么可靠性可言。此外，采用传统的电力传送方式，大大地缩短了电气设备的使用寿命，并且较差的电气设备相互接触，会增加接触电阻、引发高温，这样形成火灾的可能性就进一步加大。在矿井、石油开采这些特殊场合里，传统的电缆线以上缺点是非常致命的，很可能引起爆炸、火灾，这会带来极大的安全隐患和严重的经济损失。在水下，传统的电缆供电方式还会导致水里的人被电击。但是WPT不存在导线连接，主要利用电磁感应、微波、电磁共振等形式来传输电能，完全可以避免传统电缆输电带来的各种危害，因此无线输电是一种安全、可靠的新型电能传输方式。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

无线电能传输技术在国外的研究比较早，在二十世纪七十年代中期，无线电动牙刷就已经出现。到九十年代初，奥克兰大学（新西兰）围绕感应耦合功率传输技术（ICTP）进行深度探究，该项技术将研究的焦點放在了移动设备身上，尤其是对工作于恶劣环境之下的设备加大了关注力度，比如电梯、传送带、运行货车、电动汽车、起重机、手提充电器，以及井下、水下的设备。其距离、能量等级、效率这些指标都在不断的提高。

纵观近年来国外的研究理论和实验成果，目前，围绕无接触功率传输开展的研究，主要集中在近距离传输方面，对于带气隙变压器模型，无论是理论分析还是实际应用设计，国外的研究者都取得了较好的成绩。与近距离传输研究相对，国外关于远距离无接触功率传输，研究相对较少，相应取得的成果也不多。2007年，美国麻省理工学院的科学家们最近完成了一项实验，他们使用两个距离2米的铜线圈，用“电磁共振原理”成功的点亮了一个功率为60W的电灯泡，如图1所示。随后又提出用一个电源同时向多个用电设备供电的方案，与给单个设备供电相比，系统的传输效率有了一定的提高[1-2].次年9月，内华达州雷电实验室通过无线传输，将800W电力传输到5m远的距离。在2011年3月，东京举行安防用品展会上，松下公司推出了一款太阳能电池板可以进行无线充电。在2012年9月，诺基亚联合微软发布了一款能无线充电的手机。这些事件都标志着无线电能传输技术正在一步步的走向成熟。

1.2 国内研究现状

国内的无线电能传输技术研究起步比较晚，但也取得了一定的成就。此项研究工作在国内最早出现在2001年，西安石油学院的李宏，就感应电能传输技术应用于矿井用感应电力机车的可行性开展研究，并发表了第一篇研究文章。

同年，重庆大学自动化学院的孙跃教授开始了对电磁感应耦合无线电能传输进行大量的研究，与海尔集团以及奥克兰大学课题组主要成员Patrick AiguoHu博士合作，将学术交流以及科技合作推向了更深层次，也促进他们在理论技术方面取得了显著成绩[3]。2002年该研发团队开始研发感应式电能传输系统，目前已应用于充电汽车、日常电器等领域。同时孙跃教授对电磁谐振耦合无线电能传输及其应用也进行了研究[4]，制作了平面型的谐振线圈，在谐振频率为7.7MHz，距离为80cm实现60W的电能输出，效率达到了52%。关于非接触感应供电关键技术，该课题组于2007年取得了突破性进展，攻克了技术上的难题，在理论方面建立了完整的体系，还研究制作出了相应的传输装置，处于600-1000 W之间的电能，都能通过该装置进行传输，效率高达70%。该装置最大的优越之处是能同时为多个设备供电，且稳定性不受用电设备增减的影响。

2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等对用于体内诊疗装置的无线电能传输方案进行了研究，这是比较早的一次对于无线电能传输技术子在医疗仪器上的应用的探索。

随着技术的成熟与进步，越来越多的科研人员与科研机构以及高校开始了对无限电能传输技术的研究，上海交通大学，天津工业大学，华南理工大学等等高校都开始了此项研究。最近的几年，这项技术越来越受到关注，且应用领域越来越广，特别在医疗方面，有着巨大的应用价值，比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线功能技术的定点施药系统的设计等等研究。总而言之，国内的关于无限能量传输技术的研究在进一步的深入，在研究领域方面也在进一步的扩大。

2 无线电能传输技术的原理

2.1 磁耦合谐振式电能传输

磁耦合谐振式无限电能传输基本结构原理（具体见图2）。从装置的组成来看，两个线圈是主要组成部分，一个线圈就是一个独立的自振系统。装置中位于左侧的是发射装置，和能量源端相连接，发射装置主要通过发射线圈发射电磁波，发射装置本身并不具备向外发射电磁波的功能。装置中位于右侧的是接受装置，该装置的频率是固定的，当这个固定的频率和接收到的电磁波频率相一致时，接收电路就形成振荡电流，并达到最强的状态，这样磁场和电能两者之间的转换就顺利完成，对应电能的高效传输成功实现[5]。

在磁耦合谐振式的无限电能传输体系中，线圈谐振器性能是能量转换的关键，其可以达到能量的高效传输。

能量传输中，存在一个稳定性和可控性的提升问题，关于这个问题的实现，可以采用替代的方式，具体来讲就是用较小的补偿电容替代谐振线圈对应等效电容，替代之后，虽然线圈自谐振频率有所降低，但是系统的稳定性和可控性，却得到了大幅提升。

2.2 电磁感应式电能传输

作为一种新型电能传输模式，感应耦合式无线输电系统的构建原理主要来源于三个方面：一是现代电力电子能量变换技术，二是电磁感应耦合理论，三是控制理论。该传输模式可以在没有物理连接的情况之下，实现供电线路和用电设备之间的能量传输。感应耦合式无线输电系统有三个组成部分，分别是能量发送端、接收端以及无接触变压器（具体见图3）。该系统和其他电能传输系统相比，多了初级和次级两个变换器。

能量发送端由高频逆变装置、整流滤波电路和控制电路组成，发送端产生交流能量通过无接触变压器传输到能量接收器。能量接收端和次级变压器连接相连，由控制电路构成和输出整流滤波环节，提供负载所需能量，还可以根据需求灵活的移动。当系统正常开展工作，在经过整流和滤波之后，输出端将交流电传给逆变装置，交流电经过逆变装置转换后变成高频交流电，然后供给无接触变压器初级绕组，通过变压器的感应耦合，形成高频电流从次级端口输出，装置接收到的能量能够按照负载实际需求，进行自我调节，直到满足负载的需求为止。系统能量传递借助的方式，主要是电磁感应耦合。

无接触电能传输系统在传输电能方面，有效性比较低，从归属来看，属于疏松耦合系统。所以在该系统的运用中，提升传输效率就是一个迫切需要解决的问题，在具体的应用中，通常采用高频变换器来作为初级变换器。整个系统中，可分离变压器作为一个组成部分，发挥的作用最为重要，系统的高效性、稳定性都取决于其性能。无接触电能传输系统具有结构相对简单，但是技术可靠，而且制作成本不高等特点，不足之处在于其传输的距离短、效率低，所以应用对象一般为小型的、便携的电子设备。

2.3 电磁辐射式无线电能传输

能量传递效率在无线电能传输中，占据了最为重要的位置。方向性强、能量集中是激光、微波束的共同特点。在空间传输时，激光光束通常会受到尘埃以及空气的散射，会产生比较明显的非线性效应，输出的功率也较小。而微波输送能量，主要是在把微波聚焦后，通过定向发射的方式向外发射，整流天线将这些高能微波接收后，经过整流，将之转化为直流电能。

只要合理设计接收器结构，电能的远距离传输可以利用高精度的定向天线或高质量的平行激光束来完成。所谓的远距离是指大于装置尺寸几千米以上的传输距离。可以借助无线电波，在微波范围内实现能量的定向传输，在接收端，微波能量经过硅整流二极管天线，可以转化为电能。一般来讲，1mW/cm2是人体允许的能量密度，按照这个标准，以10KM为直径的空间范围内，能量传递最高可以实现750MW。对于无线电波而言，波长越短，定向性能就越好。所以在实现电能远程传输的过程中，借助微波或者激光，不仅有利于新能源的开发及利用，而且对于未来能源短缺的问题，也能实现有效解决。当前，人们对可再生资源的开放利用十分重视，而太阳能就是最佳的能量来源。

3无线电能传输技术的应用前景展望

近年来无线电能传输技术在便携家用电器、人体内植入器件和电动汽车等的无线供电领域得到了实际应用。随着研究的不断深入以及人们对于点能使用的便携性、多样性要求的不断提高，无线电能传输技术的发展呈现出许多新特点，又将开拓出更多新的应用领域，比如照明、太阳能电站以及航空航天系统。

4结束语

无线输电技术的不断地发展与成熟，以后人们日常生活中有望摆脱手机、电脑、照相机等多种移动设备电源线的束缚，杂乱如麻的电线和插板将会消失。各种大型公共场所会提供无线充电设备，再也不用为没带充电器而烦恼。不仅如此，无线电能传输还适用于一些特定的环境，具有广阔的应用前景。但是在无线传播中，无论哪一种方式都有关键性的问题需要加以破解，比方说于人体而言电磁波是否有害的问题，日常通信是否会受到电磁波影响的问题。从目前该项技术的研究现状来看，还处于探索阶段，需要进一步深化。

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