无线电能传输技术应用研究现状与关键问题

李翔

【摘 要】现当今，随着我国经济的快速发展，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。无线电能量的传输方式有三种：一种是电磁感应，常用于低功率、短距离的电能传输。二是电磁共振，常用于中功率、中距离输电。三是电磁辐射型，常用于大功率、远距离输电。近年来，电力电子器件、电力转换、材料科学和控制技术都取得了长足的进步。在这种情况下，无线电能量传输逐渐成为现实，受到越来越多的关注。传统电力传输中使用的传输载体主要是电缆。以这种方式传递动力，摩擦和传递损耗是难以避免的。此外，如果线路老化，有针尖放电等因素的影响，容易接触火花，这无疑是供电安全的致命缺陷，根本没有可靠性。另外，采用传统的输电方式，大大缩短了电气设备的使用寿命，而且不良的电气设备相互接触，会增加接触电阻，造成高温，使火灾的形成进一步增加。在矿山、石油开采这些特殊场合，传统电缆上面的缺陷是非常致命的，很可能引起爆炸、火灾，这将带来巨大的安全隐患和严重的经济损失。在水下，传统的电缆电源也能使人在水中受到电击。而WPT没有电线连接，主要采用电磁感应、微波、电磁磁共振等形式传输功率，完全避免了传统电缆传输带来的各种危害。因此，无线传输是一种安全可靠的新型电力传输方式。

【关键词】无线电能;传输技术;应用;研究现状;关键问题

引言

自从人类学会用电，便与电密不可分。如今，人们生活中电气化程度越来越高，电能的应用越来越多。传统电能传输普遍采用金属导线和电缆线等传输介质，其在电力传输过程中不可避免地会产生传输损耗、线路老化、尖端放电等问题，从而为一些易燃、易爆场景的供电设计带来困扰。无线电能传输作为一种新型的电能传输方式有效地避免了“不宜、不易”使用导线供电场景中的诸多弊端，提高了供电方法的自由度，拓展了人们对电能传输方法的想象。

1简述无线电能传输技术

无线电能传输（WirelessPowerTransmission，WPT）作为新型电能传输技术，主要依靠电磁场或电磁波传输能量。现在的无线电能传输方式主要有三种：（1）电磁感应式，其特点是传输距离短，传输效率高;（2）磁耦合谐振式，传输距离适中，传输效率高;（3）电磁辐射型，传输距离长，传输效率低。这三种主流的无线电传输方式各有优缺点。对于电磁感应式，它具有较高的传输效率，降低了对使用材料的环保效果，但传输距离太小，实际方面局限于厘米级，传输效率易受位置的影响，也可能是由于异物进入发热的问题。磁耦合共振具有传输效率高的优点。传输过程不受空间障碍的影响;辐射小，对人体几乎没有危害，其缺点是成本高，对硬件要求高，受到外部干扰会发生失谐，不利于调试。电磁辐射具有传输距离长的优点，但电流传输效率过低，在遇到障碍物时会中断传输过程。在目前的无线电传输技术中，磁耦合谐振无线电传输是应用最广泛的。基于电磁感应的磁耦合谐振无线电能量传输系统，结合现代电子功率能量转换技术和控制理论，提出了一种新的功率传输方式，由于其功率大，传输效率高，潜在实用价值高，引起了专家学者的注意。工作原理的磁耦合谐振无线能量传输系统是使用两个谐振对象相同的频率，并生成一个强耦合效应通过能源两个对象之间的交互，并使用线圈的两端板电容器形成谐振电路的能量传输。

2无线电能传输技术国内外研究现状

我国对于无线电能传输技术的研究历史尚短，不过也取得了较大的研究成果，我国对于无线电能传输技术的研究起步于2001年，当时西安石学院的李宏教授，将矿井用感应电力机车与感应电能传输技术进行开创性的研究，并在重要学术期刊上发表研究文章。与此同时，重庆大学自动化学院也对电磁感应耦合无线电能传输进行了专项研究，而且及奥克兰大学课题组与海尔集团组成研究小组，通过与PatrickAiguoHu博士进行学术研究，将无线电能传输技术的研究推向新台阶，研究小组在理论技术研究方面获得了较大的学术成果。2002年，该研究小组就感应式电能传输的实际应用进了试验，将该技术应用于日常电器和充电汽车等应用场景中。

3无线电能传输技术应用水平与重点问题

3.1医疗领域

医学领域的应用主要集中在生物医学植入设备。由于植入设备的特殊性，大尺寸植入设备可能导致组织炎症甚至细胞死亡，因此植入设备无线电源的研究重点主要集中在接收器的小型化上。图1为NUS无线电源线圈。Thakor对电磁感应无线电源在神经领域的应用进行了详细的研究。植入线圈采用铜线设计，在5mm传输距离下，最大传输效率为65.8%。然而，由于电磁感应的特性，當传输距离增大时，能量会大大衰减，导致长距离传输效率较低。

为了解决电磁感应式无线供电远距离传输效率低的问题，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）与英属哥伦比亚大学（UBC）共同提出一种小型化的磁耦合谐振式无线供电系统，如图2所示为KAUST与UBC用于医疗的线圈，其发射线圈直径为37mm，接收线圈直径为30mm，在20mm处传输效率可达82.4%，对比电磁感应式，采用磁耦合谐振可以克服电磁感应式在人体组织中的衰减。

斯坦福大学AndrewMa对无线供电在医疗领域的应用做了系统的评估和实验，并设计了更小尺寸的植入设备，如图3所示为斯坦福用于医疗的线圈。其接收线圈直径为2mm，发射器尺寸为60mm×60mm，同时论文对无线供电的安全性做了研究，在500W输入的条件下，比吸收率（SpecificAbsorptionRatio，SAR）值低于规定的2W/kg。

由上述可以发现，在医疗植入设备领域中，无论是电磁感应式还是磁耦合谐振式，都是采用大线圈对小线圈供电的方式，但是由于电磁感应式能量随距离的衰减，磁耦合谐振式在传输距离上有更多的优势。此外，由于接收线圈尺寸太小以及人体不能够接受太高的比吸收率，现有的体内植入式的无线供电装置都存在输出功率小的缺点。

3.2航空领域

无线电能输送技术已开始在航空领域得到应用。MPT技术的发展改良了现有的空间太阳能发电，空间太阳能发电已开始利用微波向地面和卫星传输电能。空间太阳能发电中的WPT技术在经历多阶段发展后，发射、反射和接收技术也都取得了进步。

3.3交通运输领域

目前，ICPT技术在运输领域得到了广泛的应用，在电动汽车和轨道机车的充电装置中得到了广泛的应用。新西兰奥克兰大学（UniversityofAuckland）旗下的Kris公司已经在罗托鲁瓦国家地热公园（RotoruaNational地热公园）的电动客运车辆中使用了这项技术。目前，无线能量充电装置已成为无线功率传输领域非常热门的研究方向，并逐渐向实用化方向发展。具体分为移动方向和固定方向：移动电动汽车充电装置可以随时为行驶中的车辆补充能量，在相同行驶里程的情况下，大大降低了车辆所需的电池容量;在静止充电过程中，车辆保持静止状态，传输功率和传输距离能够满足电动汽车底盘高度和充电功率的需求。

结语

随着无线电能传输技术的不断成熟完善，在以后的生产、生活中，人们日常使用的照相机、电脑、手机、照明等日常移动设备和生产设备，可以实现无线使用，从而提高生产、生活用品的安全性、稳定性和可靠性。

参考文献：

[1]郭华.无线电能传输技术综述及应用前景[J].电子制作，2019，（05）.

[2]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，2018，（05）.

[3]邱志勇.无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题探究[J].电子世界2017.