无线电能传输技术研究

吴培峰，高海涛

（安徽科技学院电气与电子工程学院，蚌埠233030）

0 引言

1732 年，美国科学家富兰克林在人类历史上第一次研究并提出了电流的概念，1831 年法拉第第一个提出了电磁感应定律，并制作了历史上第一台发电机，自此以后电能成为了人类生活中不可或缺的一种能量。即使在今天，人类进行电能的输送时依然依靠导体介质，或者说利用导线进行传输，而在某些情况下导线等介质的存在却影响了用电器的发展，很早以前人类就开始研究使用空气作为介质进行的无线电能传输的实验。最早提出无线电能传输概念的人是杰出的物理学家尼古拉·特斯拉，特斯拉在1891 年成功的进行了电力无线传输试验（如图1）。本文主要以此为依据，分析无线电能传输系统设计技术及未来趋势。

特斯拉的系统设计主要依据是电磁感应原理。系统利用高频交变电流通过绕制的线圈产生感应磁场，在接收级线圈上产生感应电动势，从而为负载提供电能。这一原理与变压器类似，只是去除了原副线圈中的磁芯而换做空气作为介质进行能量的传输。这种输电的方式可以克服导线的局限性，预计未来可以在一些导线布置不便的场合下应用，例如在太空中不便架设输电线路，在水下进行作业的机器的供电，以及矿井中通过去除导线以减少不必要的火花的产生等场景。

无线输电系统在近年来受到很多研究人员的青睐，也取得了很大的发展。2007 年，美国麻省理工学院的Marin Soljacic 教授的团队利用磁耦合谐振的原理实现了在2 米的距离上实现了点亮60W 的电灯泡，该装置在1 米时传输效率最高可达90%[1-2]。自2014 年以来，相关的研究报道逐渐增多。目前的无线输电系统主要有传输效率低，传输距离较短，传输时对设备摆放位置要求较高等缺陷，如果能够解决这些问题，未来无线供电，无线电能传输的前景将十分的广阔。

1 无线输电技术分类

1.1 基于磁耦合共振的中等距离无线输电技术

磁耦合谐振无线充电技术在2007 年由麻省理工学院的一个研究团队提出，主要利用谐振原理，当振动系统具有相同的固有频率时能够产生一种强耦合状态，在这种状态下传输损耗减小，有助于能量传输，通过产生高频交变电流在空间中产生指定频率的谐振磁场，可以在不受空间限制和空气的阻碍，实现在接收线圈上获得较高效率的电能传输[3-4]。此项技术可以实现中等距离的无线电能传输并已有实例出现。

磁耦合谐振无线电能传输的系统示意图如图1，系统主要由交流电源、初级整流滤波电路、高频逆变电路、发射驱动电路、发射线圈、接收线圈、次级整流滤波电路构成。通过高频逆变电路实现发射端接收端达到能够发生谐振的指定频率，使得能量的传输效率最大化。

图1 特斯拉的无线输电系统设计图

图2 磁耦合谐振无线电能传输的系统示意图

1.2 基于电磁感应的近距离无线输电技术

电磁感应电能传输技术是一种以电磁感应为基本原理的无线电能传输技术。这种设计类似于变压器的设计，通过去除变压器磁芯并对线圈进行重新设计，实现类似变压器的松感应耦合结构，通过一定的技术手段提高磁场的频率，减少能量损耗。但这种方式传输效率会在传输距离增大是时传输效率急剧降低，因此此技术一般只用于厘米级一下的较短距离无线能量传输，传统的频射识别（RFID）技术及目前的移动设备无线充电技术大多采用这种技术。

电磁感应无线电能传输的系统示意图如下，系统主要由交流电源、初级整流滤波电路、DC-DC 变换电路，高频逆变电路，发射线圈，接收线圈，次级整流滤波电路构成。通过对输入交流电进行整流滤波送至高频逆变电路，经高频逆变电路产生高频交流电后送至发射端线圈产生不断变化的磁通量，从而产生变化的磁场。通过减小初级线圈和次级线圈的距离从而提高无线充电效率[5]。此种技术目前已经在移动通信领域应用于手机的无线充电器中。

图3 电磁感应无线电能传输的系统示意图

1.3 基于微波的远距离无线输电技术

微波无线能量传输系统，利用微波源将输入直流信号转化为频射信号，经功率放大器放大后经天线发送至空间，接收端通过接收天线对信号进行接收，经接收端整流滤波电路进行转化，变为直流信号，并输送至负载端[6]。由于微波在空间中散射损耗强，因此微波无线能量传输系统功率较低，但传输距离较远。实际中通常选用2.45GHz 和5.8GHz 两个大气微波窗口中以减小微波穿过大气时的衰减。配合发射端较大口径功率密度的反射面天线可以实现低功耗设备如体内医疗设备等的能量传输。未来如果能够设计出大体积高功率微波能量传输设备或将用于太空中卫星，空间站等之间的能量传输。

微波无线电能传输系统的主要设计结构示意图如图4，系统由微波信号源，功率放大器，微波发射天线，微波接收天线和微波整流电路等构成。通过改进高性能全固态微波源，能够进一步提高整机效率，同时改善微波发射和接收天线的增益，可以实现进一步提高传输效率，目前微波无线电能传输系统仍处于实验阶段，实际应用较少。但微波无线电能传输系统也是目前太空空间实验中前景最好的一种能量传输系统[6]。

图4 微波无线电能传输系统的主要设计结构示意图

2 发展趋势和应用分析

2.1 发展趋势分析

目前国内外无线电能传输领域，传输方式方面基本已经形成固定模式，主要分为磁耦合谐振传输、电磁感应传输和微波传输三种主要技术，近年来，在无线输电领域国内外取得的新成就主要有传能线圈结构改进设计，增加中继线圈及传输效率的影响，应用新材料改善磁场的分布，拓展应用方式等研究方向。国内近年来在无线电能传输领域的研究也逐渐增多，专利数量逐年增加。目前中国空间技术研究院也在开展有关微波和飞秒激光的无线输电技术的原理和应用相关研究。

2.2 无线电能传输的应用分析

（1）移动通信设备

近年来移动通信设备的无线充电设备的研究和应用不断深入，目前已有多家公司在其旗舰手机中应用了无线充电技术。例如苹果公司的iPhone XS 智能手机。目前手机的无线充电技术距离在1CM 以下传输功率最高可达18W，可以实现快速充电。并且在相关方面已经形成统一的技术标准“Qi 标准”。

（2）新能源汽车

新能源汽车目前是政府大力扶持的节能项目之一，目前在新能源汽车中的无线充电技术也以投入应用，如著名的电动汽车品牌特斯拉最新的电动汽车便支持无线充电技术，国内厂商比亚迪在其新能源公交车中应用了可以自动侦测发射线圈位置自动准确停靠进行充电的无线充电系统。

（3）新型医疗器械

目前医疗方面有基于电磁感应耦合的无线电能传输系统的应用。常用于一些植入式医疗装置和体内检测装置的供电。此类装置不仅取消了物理的连接，也使得这些医疗设备减少了更换电池的频率，降低了患者的痛苦，同时还可以兼顾器械的数据传输的通道。

（4）智能家居

近年来智能家居设备蓬勃的发展，智能家居设备的数量呈现指数级增长，而众多的设备的供电线路增加了家庭环境的压力，破坏了美观性。而无线电能传输的应用可以极大地缓解此类问题，海尔公司就曾在2010 年发布无尾电视，去除了连接线的阻碍。目前这方面研究的前沿是设计一个统一的发射端设备为多个家居设备供电。

（5）水下、矿井内供电

在矿井中使用无线电能传输可以避免因导线间隙而产生的电火花而造成的安全隐患。在水下作业和矿井中作业时采用无线电能传输系统还可以减少导线的束缚，增加设备的移动性。目前这方面的研究在积极开展中。如中国矿业大学田子建教授在无线电能传输在煤炭矿井中的应用的相关研究[7]。

（6）空间领域

在空间领域的无线电能传输方面的远期应用目标有空间太阳能电站的建设，在空间建设太阳能电站能够显著提高能量收集效率但却面临着难以传送至地球上的问题，同时目前国内研究团队也在积极研究关于临近空间飞行器电力供给微波无线能量传输系统技术的发展[8-9]。

3 无线输电系统的亟待解决的问题

3.1 能量传输效率低

无线输电系统目前无法大规模应用的主要障碍便是传输效率低，例如2007 年Marin Soljacic 教授的实验中当传输距离达到2.1 米时传输效率会急剧降低到40%。一般情况下随着传输距离的增大，无线输电系统的效率会急剧降低。如何提高无线输电系统的效率是目前研究的热点问题。

3.2 中短距离传输系统中继技术的研究

对于双谐振线圈的磁耦合谐振无线输电系统有一个最佳的工作距离，一旦超出最佳距离后，系统的传输效率会急剧降低。而中继线圈的加入可以在一定程度上提高系统传输效率。中继线圈可以减少因传输距离增大而导致的耦合强度降低的问题[10]。

3.3 多接收端传输系统的设计

在实际应用中多负载的无线电能传输系统更有应用前景。如何将一个负载线圈接收系统推广至多个接收端，以及接收端线圈的排布（同侧、异侧等），多接收端系统的传输效率问题和谐振系统间的耦合参数问题等都是目前研究的难点[11]。

3.4 电磁辐射对环境的影响

由于无线电能传输系统主要依靠高频电磁场进行能量的交换和传输，无论是磁耦合谐振还是微波无线电能传输系统都可能会导致人体暴露在电磁环境中，例如我国环保总局颁布的《电磁辐射防护规定》中对于公众暴露环境中要求24 小时内全身平均SAR（比吸收率）不大于0.02W/kg。无线电能传输系统能否保证在对人体安全的范围内实现传输是一个非常重要的问题[12]。

4 结语

无线电能传输系统描述了一个无线供电的美好未来，而目前这项技术也在积极地发展中，无线输电系统的完善也需要克服众多的障碍。本文分别分析了目前比较成熟的三种无线电能传输系统，并对目前存在的技术问题进行了分析，同时介绍了无线输电系统的应用场景。相信在不久的将来，无线输电系统将走进我们的生活，彻底改变未来电能传输的方式，开展电能应用的新时代。