无线电能传输简述

张德慧　魏铭　王明月

摘 要：第二次工业革命后，人类社会便进入电气化时代，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触进行传输。这种"有线"的传输方式带来了不少问题，例如由于存在摩擦、老化等影响，电能在传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的使用寿命和用电安全。另外，传输的有线电力传输方式不能满足一些应用场合的需要，如矿井等。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的应用，但是太多的电线和插座给人们生活带来了不便。这些问题都在呼吁一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。

关键词：无线 电能 传输

2007年麻省理工大学物理学助理教授马林.索尔贾希克和他的研究团队在SCIENCE上发表文章，提出了一种基于四线圈结构的磁耦合谐振模式的无线传能技术。此种能量传输方式利用独立的两个高Q值（即品质因数）线圈，提高了系统的远距离传输能力。由此，掀起了全球性的无线电能传输技术研发热潮。本文，将对无线电能传输的相关内容简述。

1、无线电能传输系统的分类

无线电能传输系统的主要特征，就是不通过导线接触，以无线的方式将能量从一端传输至另一端。发射端将电能转换为其他形式能量，如电磁能、机械能等，传播至接收端，接收端接收此种形式的能量，再将其转换为电能。目前，无线电能传输系统中所选择的中间能量形式主要有电磁能和机械能（震动）两种。接下来将按照电磁能和机械能的分类方式，介绍目前主流的几种无线电能传输技术。

（1）对于电磁波，其频率不同，相应的能量传输方式有很大区别，无线电能传输系统的工作方式也随之改变。

根据距离发射机构的远近，电磁波产生的交变磁场，可以分为近场和远场两个区域。近场分布在场源的一个波长范围内，在这一区域，电磁能主要以电场或磁场的形式存在，通常具有如下特点：几乎无推迟效应；在任一时刻，电磁场的分布规律分别与静态场中的电场、磁场相同；近场内以电磁能量相互转换为主，能量几乎不向外发射。而远场指距离发射机构一个波长范围之外的区域，在这一区域，电磁能主要以电磁波的形式存在，并向外发射。此时，电磁场具有推迟效应，且辐射具有方向性。

（2）机械能主要通过机械波（即震动）将能量从发射机构传输至接收机构。目前，主要通过超声波来传输能量。超声波指频率大于20kHz的声波，它具有方向性强、能量易于集中、可在各种媒质中传播且无电磁干扰等优点。由于机械波主要依赖于分子的震动传播能量，故当发射和接收机构间的空隙由固体填充时，能量传输的效率最高、效果最好；由液体填充效果次之；由空气填充效果最差。

2、无线电能传输技术的研究现状

当前，在无线电能传输技术的众多实现方式中，基于磁耦合形式的无线电能传输技术应用最为广泛，以下简要介绍该技术的研究现状。

2.1国外研究现状

新西兰奥克兰大学以Boys教授为首的研究小组自20世纪90年代便开始研究电磁感应式非接触能量传输技术并系统全面地进行研究与推广应用工作。经过多年的努力，在理论和实践上取得了较多重大突破。该团队的Hu A P 博士于2001年完成了该领域的第一篇博士论文，较为系统的阐述了IPT技术原理、拓扑及关键研究点等。该团队研究内容包括基本原理设计思路、耦合磁场机构设计、频率稳定策略分析、能量与信号同步传输、功率控制及系统稳定性能等；在工程技术应用方面的研究主要有单轨行车、有轨电车及运料车等轨道交通设备的电源感应耦合接入，生物体体内植入式电气设备等的无线供电，以及电动汽车感应耦合充供电等，已经形成了一套理论框架及应用技术体系。

美国麻省理工学院以Marin Soljacic 教授为首的研究小组在2007年提出了四线圈架构的磁耦合谐振式无线电能传输技术，实现了2m范围内功率为60W的磁耦合谐振式无线电能传输装置，系统整体的效率达到40%。

日本东京大学的Takao Someya 教授等研究人员运用印刷式塑性MEMS 开关及有机晶体管技术研究小功率IPT技术，成功研制出一种可大面积铺置的能量发射塑性膜片，在原、副边结合较为紧密（100微米）的情况下，其最大传输功率为40.5W，传输效率高达81.4%。日本崇城大学的Sakamoto H及Kumamoto Institue of Techology 的Harada K教授从20世纪90年代初九开始研究IPT技术在电动汽车无线充电等方面的应用，内容主要包括能量与信号同步传输、磁场耦合机构等。

另外，日本横滨国立大学一些研究员研究了高速列车的非接触供电问题；日本日立研究实验室的研究员们研究了电梯及自动巡航车的非接触供电系统，对其松耦合电磁机结构的磁芯形状和绕圈的形状及绕制等进行了较为详细的分析；韩国庆北大学研究了基于PCB线圈的手机非接触充电装置；美国研究了磁悬浮列车的非接触供电问题和可适应宽输入电压及宽负载范围的无线电能传输技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中。

2.2国内研究现状

随着国外对IPT技术研究的深入，自20世纪90年代开始，国内的天津工业大学、东南大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、华南理工大学、南京航空航天大学、中科院电工研究所、清华大学及重庆大学的相关研究团队分别在不同的应用领域对IPT技术进行了研究，并取得了一定的成果。

以孙跃教授（重庆大学）为首的研发团队于2002年开始进行IPT技术理论的研究，在其基本原理、高频谐振软开关变换器的建模方法及非线性行为分析、功率传输的稳定性、能量双向传输、电动汽车磁耦合机构设计及优化等领域进行了较为深入的研究，为IPT技术的推广和应用方面做了大量的工作。

在技术研发与推广应用方面，该团队早在2010年，研发出了国内第一套输出功率在1KW以下上的大功率IPT装置，并与中国海尔集团公司成立家用电器无线电能传输技术联合研发中心，致力于开发家用电器无线电能传输的核心技术。该团队与国内某钻井企业合作，联合开发同轴旋转体机构无线电能传输技术及装置；与国内某电网企业合作，联合研发数十千瓦级的电动汽车无线充供电示范系统。该示范系统能实现定点充电和在线不停车实时充电，停车定点无线充电的电能传输垂直距离为40cm，横向偏移可达20cm，系统整体效率大于90%。不停车实时无线供电系统采用多级供电轨道级联模式，示范轨道设计长度为100cm，轨道平面与车载拾取机构最佳垂直距离为40cm，最大输出功率为30KW，行进供电效率为75%到80%。

目前该研发团队已具备开发功率等级从毫瓦级到数十千瓦级的IPT装置的能力，成为国内IPT技术研究领域一支重要的研发力量。还团队与新西兰奥克兰大学合作成立的“無线电能传输技术国际联合研究中心”，于2015年10月获得国家科技部专家的专家认定，这也将进一步促进该团队与国际平台的合作性研究与发展。

总结：近年来，随着人们对电能无线传输的需求不断扩大，越来越多的科研院所及企业相继加入无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来，可以说目前该领域的研究已经是电气与自动化领域最活跃的热点之一。由于无线电能传输系统具有高安全性、高可靠性和灵活方便等优点，吸引了众多国内外学者和工业界人士的密切关注。无线电能传输技术的应用已经渗透到诸多领域，如有轨电动汽车的研发等。

参考文献：

戴欣孙跃唐春森王智慧苏玉刚. 无线电能传输技术. 科学出版社