無線電能傳輸技術發展及研究方向淺析

王敏星 李大偉

摘要：目前無線電能能夠傳輸技術成為一個新興的研究方向。首先介紹了目前幾種主流的無線電能傳輸技術，針對比較有前景的的磁耦合諧振式無線電能傳輸和借助磁材料的無線電能傳輸方式，從目前研究的幾個重要方向分別就其研究問題、研究內容和研究趨勢進行淺析，并對未來的發展進行了展望。

關鍵詞：無線電能傳輸；非接觸；磁耦合；共振

作者簡介：王敏星（1964-），男，河南濟源人，河南省濟源市質量技術監督局，工程師；李大偉（1987-），男，河南濟源人，河南省電力公司濟源供電公司。（河南 濟源 459000）

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0263-03

無線電能傳輸技術（WPT，Wireless Power transfer）能夠實現無導線連接情況下的電能傳遞，在醫學應用、礦井采掘、移動設備充電等特殊場合具有較大的應用前景。隨著移動通信設備、物聯網、電動汽車等技術的快速發展，近年來發展非常迅速，并且取得了較大的進展。伴隨著研究和市場化的不斷深入，作為一種前景廣闊的電能傳輸方式，在電磁兼容、人體健康和傳輸效率等方面都產生新的研究問題，需要進一步明晰研究方向并針對存在的問題深入研究。

一、無線電能傳輸技術的方式

雖然采用超聲波和其他機械波能夠無線傳輸能量，但目前無線電能傳輸的主流方式仍是利用電磁場傳輸能量。從頻率的角度來說，采用的頻率包括從若干GHz跨越到若干kHz的廣大范圍。在較高頻率段，利用微波傳輸能量（甚高頻以上的頻率范圍，頻率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通過控制發射天線的朝向使能量以電磁波的形式準確發射到接收天線。該方法傳輸方向性較強、傳輸距離較遠，但易被障礙物遮擋，還需要較復雜的天線對準裝置。而且高頻電磁波的生物安全性較差，高功率的電磁波對人體有較大傷害，因此在民用領域應用的機會較少。磁耦合諧振式無線電能傳輸方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁場頻率在10MHz以下，通過電諧振體之間的耦合磁場來傳輸電能。這種方法可以在一定的距離（幾厘米到幾米）范圍內傳送能量，功率值可以達到幾百瓦。而感應耦合無線電能傳輸方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁場的耦合程度，可以傳送較大的功率，效率較高。但由于磁材料的限制，工作頻率不宜過高，通常在1MHz以下。在距離增大時，磁材料之間的氣隙增加，耦合程度急劇降低，因此傳輸距離相對較近（常常在幾毫米到幾十厘米）。在民用和工業應用中，磁耦合諧振式無線電能傳輸（MCRWPT）和感應耦合式（MIWPT）的傳輸距離基本滿足常用設備的充電距離要求，從理論上能夠獲得更大的功率和更高的效率，因此具有較大前景，是目前研究的熱點。本文從幾個方面介紹此兩項技術的研究與發展。

二、研究內容和研究方向

1.基本理論和技術研究

率及效率的模型研究：目前對無線電能傳輸方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]電磁場分析方法、[3，4]等效電路法[5]等。

耦合模方法可見文獻[1]所采用的基本方程表達式：

（1）

其中：為代表諧振體中的能量；為激勵角頻率；為自損耗系數；為諧振體m和n之間的耦合系數；為代表外加驅動的驅動項。

其基本思想是，給出系統的源、損耗及特征量，通過求解器損耗與特征量的關系，即求得系統效率及傳輸功率的解。電磁場方法根據電磁場理論求解電磁場方程，以此求得傳輸效率等結果。而等效電路方法主要針對磁耦合的特點，利用電路理論求解電路方程，以此獲得系統的結果。

幾種建模方法各有優劣：耦合模方法可以從能量角度進行分析，但是不夠直觀；電磁場分析方法理論上可以計算非常詳盡的電磁場分布[3]，理論上可以計算出耦合磁場能量傳輸細節。但過于復雜性，不便于系統設計和參數優化。通常借助電磁場仿真軟件以求得分部場的直觀數值解。等效電路法應用直觀，是目前采用較多的方法，但是由于對電磁場進行了低頻簡化，對高頻條件下電磁特性描述較粗略，不利于有關電磁場方面的研究。理論未來的研究方向將建立更加準確和合理的分析模型，甚至提出更加新穎的傳輸模式，從理論高度提高系統的指標，并以此指導設計和制造無線電能傳輸裝置。

第二，線圈結構及設計。根據電路互感模型的一般結構，如圖2所示。

通常可以得到以下矩陣形式的方程：

（2）

諧振條件下傳輸效率：

線圈2在線圈1中產生的反映阻抗為，可見反映阻抗中負載側電阻值位于分母中，對于源側的影響變為負向變化。即負載側電阻值越高，傳輸效率越小。實際電路中，通常源內阻和負載線圈側的電阻RB2往往較大。因此，雙線圈結構傳輸效率往往較低。但根據上述分析，通過改變系統線圈結構和數量，可以改變不同線圈中的反映阻抗，進而改變耦合系統的效率、傳輸功率和傳輸效率。因此出現了三線圈[5]、四線圈[1]和多線圈[6]等情況。

第三，參數匹配方法及參數設計。在確定整體結構形式的基礎上，還需要計算和均衡線圈的各項參數。線圈按照諧振的形式主要有自諧振線圈和電容-線圈諧振線圈。按照線圈的纏繞方式可分為密繞線圈、平面線圈、螺旋線圈等。電路參數主要有電感值、電容值和電阻值等。對于高頻線圈還存在著寄生電容等高頻參數。在分析和設計中，對上述參數進行優化，通過增加耦合程度、減少內阻和提高品質因數以提高系統性能。目前的研究主要集中在線圈結構和參數設計等方面，[7]針對線圈的新構形和新材料的研究也是一個重要的研究方向。

2.無線電能傳輸的激勵源

激勵源是無線電能傳輸的核心元件。相對于普通的高頻信號源和開關電源，激勵源不但工作在高頻條件下，而且還要承擔功率變換的功能。作為能量傳輸路徑中第一個環節，對無線電能傳輸系統的總體指標的影響非常顯著。而且由于電路中諧振作用，功率元件往往要承受諧振電壓或者諧振電流的沖擊，其數值會遠超過系統輸入電壓或者輸入電流。因此，無線電能傳輸的激勵源設計更加困難。目前多采用的是D類開關型和E類諧振型放大電路。按照功率元件的數量和結構，有單管、非對稱半橋、全橋等。該方向的發展方向是實現高頻大功率條件下的高效率、低損耗和微型化，設計出更加適合無線電能傳輸的專用高頻激勵源。

3.電路結構研究

由于無線電能傳輸技術的應用范圍愈加廣闊，需要適應和滿足更加苛刻和多樣化的工作條件與限制。例如為了實現電動汽車在電網運行中能量緩沖的作用，無線充電裝置不僅需要單向充電，而且還需要將能量從電動汽車反向傳輸給電網。醫用領域中對系統的體積和可靠性指標的要求非?？量蹋虼藷o線電能傳輸裝置既要盡量壓縮體積、提高可靠性，而且還要實現能量和信號的同時傳輸。越來越多新的應用呼喚更加多功能和更強適應性的無線電能傳輸裝置。因此需要提出更多新型的多功能電路結構，以增強電路的緊湊性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]

4.標準、規章及醫學影響

目前，已經出現了三個主要的無線電能傳輸標準（聯盟），其中Qi聯盟成立于2008年12月，目前已推出針對便攜電子產品的低于5W以下設備的標準，未來還將會提出更大功率的標準進而形成體系。[10]

對人體影響的疑慮貫穿于整個無線電能技術的發展，這方面的研究始終是重點之一，包括醫學相關性、輻射限制和磁場控制等多個方面。目前多采用計算機仿真和人體模擬的方式研究對人體的影響。未來將會進一步深入研究無線電能傳輸裝置的生物性影響；同時，通過技術手段減少磁場泄露和影響，以滿足相關的限制性標準。

5.醫學應用研究

由于無線電能傳輸避免了導線的束縛，人體內部植入設備的應用將會變得非常便利，因此無線電能傳輸在醫學方面的應用始終受到最大的關注。[11]但人體內植入設備中，體積要求十分苛刻而且傳輸路徑需要經過人體組織。因此提高微小尺寸線圈的品質因數，提高傳輸效率[12]和研究高頻電磁場對人體組織的影響是目前的主要研究方向?，F在，無線電能傳輸技術在經皮植入裝置、心臟起搏器、消化道機器人等方面已經取得了長足的進步。通過無線電能傳輸技術的應用，未來人體植入醫療設備將會有較大的發展，會大大改變人類的診斷和治療方式。

6.電動汽車充電裝置

由于具有無接觸、無連接和無漏電的特性，無線電能充電裝置在電動汽車充電領域具有較大的應用前景，已經成為無線電能傳輸的一個熱門研究方向，而且正在逐步實用化。主要分為固定式和移動式兩大方向。固定式在充電過程中車體保持不動，其傳輸距離和傳輸功率已經能夠滿足電動汽車底盤高度、電動汽車充電功率的要求。移動式電動汽車無線充電方式可以隨時向行進中的電動汽車補充能量，因此可以減少相同運行里程條件下電動汽車所需的電池容量。目前，電動汽車充電技術的主要研究方向是進一步提高傳輸效率、距離和功率，并且針對偏移情況、雙向傳輸、控制方式等問題展開研究。電動汽車的無線充電技術將會推動電動汽車的實用進程，無線充電技術的需求也將越來越大，市場前景更加廣闊。

三、結論

無線電能傳輸技術經過幾年的快速發展，其發展趨勢愈加迅猛。未來的研究將更加深入和細致，并且進一步向應用方向推進，實用化腳步愈發加快。隨著研究內容更加深入及人們對該技術的逐漸接受和認可，未來其市場和應用前景更加廣闊。

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（責任編輯：王祝萍）