無線電能傳輸技術分析

龔立嬌 蘭永均

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2.石河子大學機械電氣工程學院 石河子 832003）

1 引言

一直以來，人類把無線電能傳輸作為自己的夢想之一，為此付出了艱辛的努力，并取得了一定的成果。

最早產生無線電能傳輸設想的是Nikola Tesla，早在1890年，Tesla就做了無線電能傳輸試驗，但是最終由于財力不足等問題其構想未能實現[1-2]。20世紀初期，Raytheon的W.C.Brown等人設計了一種半導體二極管整流天線將微波能量轉換成直流電[3-4]，從此微波作為無線電能傳輸的一種重要方式被廣泛研究。20世紀80年代，電磁感應式無線電能傳輸技術逐漸引起了學者們的關注和研究。2007年MIT的Marin Soljacic等人利用磁場的諧振方式點亮了一盞60W的燈泡[5]，成功開辟了無線電能傳輸技術的一個新方向。

迄今為止能實現能量無線傳輸的方式[1-22]主要有以下三種：電磁波輻射式、電磁感應式、電磁共振式。

本文將對以上三種無線電能傳輸方式進行技術分析，筆者相信這幾種技術的不斷發展和進步，將有可能引起能源領域的一場變革。

2 基本原理及關鍵技術分析

2.1 電磁波輻射式

2.1.1基本原理

微波式無線電能傳輸即通過電波的形式在遠場范圍內采用定向天線實現遠距離供電，該方式的發射部分將功率以微波的方式輻射出去，接收裝置將收到的微波能量通過整流設備轉變為直流或交流電能以便用電設備利用。

2.1.2關鍵技術分析

微波式無線電能傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線和微波整流設備4部分。因此,要使微波式無線電能傳輸保持較高的效率，必須滿足以下三個條件：I大功率的微波源；II優良的天線性能；III高效的微波整流設備。

（1）微波源

微波源是一種產生高頻電磁振蕩或功率放大的器件，一般工作在米波至亞毫米波范圍。微波源的輸出功率直接關系到它的應用領域，通常以100MW為界，凡輸出峰值功率超過此值的源稱為高功率微波源（HPM）。

HPM裝置的組成框圖如圖1，驅動高功率微波源的是脈沖功率系統,它把初級能源提供的能量轉變成高壓脈沖,高壓脈沖加在強流二極管上，產生強相對論電子束，該電子束在 HPM 發生器中與電磁場相互作用，把電子的動能轉變成微波能，最后由天線發射出去[6]。

圖1 HPM裝置的組成框圖

目前大功率微波源主要有：磁控管、放大鏈發射機、射頻放大管、固態微波放大器。

其中，磁控管和放大鏈發射機效率相似，大約為40%。兩者的區別在于放大鏈發射機是將低電平經過多級射頻放大器后放大。射頻放大管有多種管型，其中速調管是最可靠的一種，平均功率可達25-50kW，效率大約30-40%。固態微波放大管效率最低，只有20%左右。

由上述可知，目前的HMP在功率和效率方面都還難以滿足微波式無線電能傳輸系統安全經濟運行的要求。

（2）高性能天線

I微波發射天線

在微波式無線電能傳輸系統中,微波發射天線最重要的兩個方面是：

第一，高聚焦能力。微波式無線電能傳輸系統的發射天線輻射口徑場的功率密度大約是通信系統的4倍，它的聚焦能力比普通的口徑天線強[7]。在微波式無線電能傳輸技術基礎研究中一般采用成熟的拋物面天線。

第二，微波能量的定向傳輸。在一些實際的應用當中，時常需要對移動的目標輸送能量，這就需要發射天線具有隨移動目標移動的功能。一方面，我們可以借助相控陣天線來完成；另一方面，我們可以應用具有定向功能的回溯天線陣。具有定向功能的微波式無線電能傳輸系統有以下兩個優點：①可以提高系統的DC-DC整體轉換效率；②可以增強系統的安全性。

II微波接收天線

接收天線設計的關鍵有以下兩點：①盡可能獲得較高的增益；②便于和整流電路部分集成和匹配。其中，高增益是保證高RF-DC轉換效率的前提，而便于和整流電路集成匹配則可以降低操作的復雜程度，提高效率。微波接收天線一般都采用平面印刷天線。按照極化來分，接收天線有線極化、雙極化和圓極化。發射天線是圓極化時，雙極化天線接收的能量是單極化天線的兩倍；圓極化接收天線勿需極化對準，可以接收任意線極化波和旋向相同的圓極化波[7]。

（3）微波接收整流設備

微波整流設備通常由輸入濾波器、整流二極管和輸出低通濾波器等組成。

圖2 微波整流設備組成框圖

其中，決定整流效率的關鍵因素是整流二極管的性能。二極管是一種非線性器件，在整流時會產生高次諧波分量。為了使這部分能量不丟失，輸入和輸出濾波器一起將高次諧波約束在它們之間，回收諧波的能量，最終也變為直流輸出[8]。

現在比較成熟的微波整流設備即為硅整流二極管天線 Rectenna[9]（Rectify antenna）。作為無線功率傳送研究的開端，目前發展出的Rectenna有916.5 MHz和2.45 GHz頻段，能夠有效的將射頻能量轉成直流電源，以供充電或變頻使用[10]。

2.2 電磁感應式

2.2.1工作原理

工頻交流電源在整流濾波獲得直流電能之后通過高頻逆變器進行逆變，逆變所產生的高頻交變電流注入一次側原邊線圈，一次側原邊線圈中的高頻交變電流產生的磁鏈Φ與二次側副邊線圈交鏈，從而產生感應電動勢，該感應電動勢通過高頻整流及直流斬波等調節電路之后即可向負載提供參數合適的直流電能[11]。

圖3 感應式無線傳能系統框圖

2.2.2關鍵技術分析：

電磁感應式無線電能傳輸主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合實現無線電能傳輸。此種方式采用可分離變壓器原理，對一次、二次鐵心的形狀和對齊方式要求高,需要一次、二次線圈盡量保持在對齊狀態，一旦出現相對位移，效率會急劇下降。

電磁感應式系統主要由3部分組成：①能量發射裝置②可分離變壓器③能量接收裝置。

其中，可分離變壓器是實現大氣隙下能量在原、副邊線圈之間高效傳輸的關鍵。而優質的可分離變壓器必須具備耦合系數高，漏感小等特點。

（1）耦合系數

耦合系數表示變壓器原、副邊繞組的耦合程度，與變壓器鐵芯材料、繞組的相對位置及氣隙大小有關[12]。

I變壓器的鐵芯材料。對電磁感應式無線電能傳輸系統中可分離變壓器的鐵芯材料的選擇，一般有以下幾個要求：①磁導率要高；②電阻率要高；③飽和磁感應強度足夠大； ④具有很小的矯頑力狹窄的磁滯回線； ⑤居里溫度要高。一般，鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金都能滿足無線電能傳輸系統中變壓器鐵芯材料的要求。從性能上看，非晶合金總體性能最好，但是實際在選用時,要對成本、性能等進行綜合考慮。

II繞組的相對位置。如圖4所示，（1）是將繞組安放在鐵芯的底部，（2）是將繞組拆分成兩半后安放在鐵芯的端部。

有實驗表明，在相同的情況下，采用圖4（2）方式的耦合系數比圖4（1）的高。因為在圖4（2）所示方式中，原、副邊繞組線圈接觸比較緊密,磁力線可以在原、副邊繞組之間垂直的通過，所以漏磁比較少，耦合系數較高。

圖4 可分離變壓器原、副邊繞組的兩種放置方式示意圖

III氣隙大小。氣隙大小對可分離變壓器耦合系數的影響非常大。在電磁感應式無線電能傳輸系統中，應根據變壓器氣隙大小和變化范圍選取合適的變壓器結構和工作狀態，使變壓器在氣隙規定變化范圍內工作，保證耦合系數變化較小，保持較高的耦合系數，這樣有利于系統的優化設計和效率的提高。

（2）補償電路

由于可分離變壓器比電磁緊耦合的變壓器漏感要大，在開關管關斷時，開關管上會引起很大的電壓尖峰，且大部分能量會損耗在漏感上[13]。因此，需給變壓器的原、副邊加補償電路。圖5給出了多種補償電路方式。其中，原邊的補償電容是為了平衡原邊的漏感抗和副邊的反應感抗，從而減小感應電源的視在功率，提高感應電源的功率因數。副邊的補償電容是為了減小副邊的無功功率，增大感應電源的輸出功率。

圖5 補償電路類型

2.3 電磁共振式

2.3.1工作原理

如圖6所示，電磁共振式無線電能傳輸系統主要由能量發射端和能量接收端兩部分組成。能量發射端以直流作為功率輸入，經逆變后形成高頻激勵源，使與之直接相連接的源線圈產生諧振，并在源線圈周圍形成交變磁場。發射線圈感應源線圈的交變磁場，進而與之形成共振。這樣，能量通過源線圈傳送到發射線圈，再由發射線圈傳遞出去。能量接收端包含兩個線圈，分別為接收線圈和負載線圈。接收線圈接收到發射線圈傳遞的能量后，再傳送給負載線圈。負載線圈后接能量變換電路，使高頻功率轉換成直流功率供后面的用電負載使用[14]。

圖6 共振式無線傳能系統框圖

2.3.2關鍵技術分析：

電磁共振式無線電能傳輸系統實現能量高效傳輸的關鍵是諧振線圈，而決定諧振線圈性能優劣的關鍵因素是品質因數的高低[15-16]。品質因數Q與能量損耗成反比關系，即當Q值越高時，能量的損耗就會變得越低，從而越有利于能量傳輸效率的提高。因此，對于電磁共振式系統來說，高品質因數是保證能量高效率傳輸的關鍵。

從電路理論可知，線圈的品質因數與線圈的諧振頻率，電感以及阻抗緊緊相關（Q=ωL/R）。所以線圈諧振器的設計也主要從以上三個方面著手，提高諧振頻率和自身電感以及減小自身內阻。

I諧振頻率

電磁共振式無線高效傳輸是建立在系統諧振頻率一致的基礎上的。當系統的工作頻率偏離線圈的諧振頻率時，整個系統的傳輸效率會急劇的下降。因此目前對共振式無線電能傳輸系統的優化和控制主要是圍繞諧振頻率來實現的。但是，諧振頻率較高時會受到高頻雜散電容參數的影響，線圈的穩定性會變差。所以，為了提高系統的穩定性，學者們提供了兩種解決辦法：①用小的補償電容的方式來代替諧振線圈的等效電容[17-18]。②通過鎖相環來實現反饋[17]。這是一種動態跟蹤控制的方法，能不斷根據接收線圈的頻率變化調整電源側輸出頻率，從而實現系統諧振頻率的實時調諧。相比較而言，鎖相環閉環跟蹤控制在解決共振式無線電能傳輸系統穩定性差的問題上具有較大的優勢。

II等效電阻

系統損耗主要來自于內部電阻，所以減小電阻，有利于減少系統有功損耗。等效電阻的組成主要有線圈電阻 RL、諧振電容等效串聯電阻 RC、驅動源內阻RS和輻射電阻RA。

其模型如圖7所示

圖7 損耗模型

其中，線圈電阻主要受兩個因素的影響：①線圈導線的直徑和材質；②趨膚效應和鄰近效應。我們可以通過合理選擇導線（如利茲線、表面鍍銀線）、優化線圈結構等方法減小線圈的電阻。一般情況下，在無線電能傳輸的頻段（300kHz～30MHz），輻射的功率很小[19]。

由于諧振電容的等效串聯電阻會對等效電阻的大小產生影響，從而影響系統傳輸效率，而無線能量傳輸系統中的諧振電容的工作狀態又較惡劣，所以諧振電容的選擇要特別注意。一般我們在選擇電容元件時需要同時滿足高頻、大電流、高耐壓、小容值、小體積和低等效串聯電阻等條件[21]。

III線圈電感

在低頻率下線圈電感表達式

其中：μ0＝4π×10-7為真空磁導率；r為線圈半徑；a為線圈線徑；N為線圈匝數。

線圈中的電感與線圈的尺寸形狀、線圈的匝數、各線圈的相對位置、介質的磁導率和導線截面上的電流分布等因素有關。交變電流在導線截面上的分布特性取決于導線材料的電導率和磁導率以及導線中電流的頻率。因此，在交流輸入時，電流頻率變化會對線圈的電感產生影響。當導線截面的線尺寸遠遠小于導體內電磁波的波長時，頻率變化對電感數值影響很小，從而忽略電流在導線截面上分布的不均勻性。由諧振頻率可知，電感的大小將直接影響諧振頻率的大小，從而影響傳輸效率的大小。

除了要研究以上幾個對系統傳輸效率影響較大的因素外，要想實現真正的應用我們還必須對系統的安全性給予足夠的關注。所以我們不得不考慮電磁環境與周圍設備和生物體之間的相互影響。

總體來說，電磁環境與周圍設備和生物體的相互影響目前還處于探究階段，電磁環境對周圍設備運行及人體安全有沒有負面影響以及周圍設備和生物體對電磁系統能量傳輸的影響還難以確定。雖然MIT根據其實驗室數據指出磁場強度為幾個特斯拉，與核磁共振的磁場強度相當[5]，而個別文獻指出在該強度的磁場下，對人體的影響很小，但并沒有拿出權威的論據來支撐該觀點。此外，周圍設備及生物體對電磁系統能量傳輸的影響方面的研究現在還比較少見，所以電磁環境問題現在仍然是電磁共振式無線電能傳輸技術研究的一個難點問題，也將是一個熱點問題。

3 應用前景及發展展望

3.1 應用前景

由于上文中提到的三種無線電能傳輸方式原理、關鍵技術和特點的不同，所以它們的應用領域也有所區別。

微波式無線電能傳輸技術適合應用于大范圍、長距離、且不易受環境影響的電能傳輸場合，主要有空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛星供電，航空航天器供電等。

基于電磁感應原理的無線電能傳輸技術的研究相對比較成熟，其輸送的功率最大可達到幾百千瓦，但傳輸距離很短，在1cm以下。其應用范圍廣泛，大到電動汽車，小到醫用的微型機器人[18]。

基于電磁共振原理的無線電能傳輸技術目前尚在實驗階段，該技術采用MHz范圍的諧振頻率實現電能在波長范圍內的中等距離高效率傳輸。人們期待此技術的發展可以在高速路上架設共振發射天線，向過往的汽車充電。此外，由于其傳輸距離相比較電磁感應式更大，所以如果能在傳輸效率上有所突破的話，日后將有可能在很多領域取代電磁感應式無線能量傳輸。如醫療器械領域，手機、MP3 等便攜式通信領域，深海潛水、深海油田等水下探測領域，煤礦、化工等存在易燃易爆物的特殊行業以及無線傳感器網絡。

3.2 發展展望

本文通過詳細介紹三種主要的無線電能傳輸方式的工作原理和關鍵技術分析，向讀者展示了三種無線電能傳輸方式的共性和個性。此外，筆者還通過總結分析給出了無線電能傳輸技術的應用前景。從以上兩個部分筆者發現無線電能傳輸技術目前尚存在許多問題：

1、微波式無線電能傳輸技術的發射與接收效率不高，大氣衰減嚴重，受地形及環境影響較大。其工作頻率主要工作在 C波段（5.8～35GHz），對生物體健康有害，所以離大范圍應用還尚有距離。

2、電磁感應式雖然較為成熟，傳輸效率也相對較高，但是其傳輸距離太小，改進相對比較困難，導致該技術在電力大距離無線傳輸的實際應用中具有很大的局限性。

3、電磁共振式的傳輸距離和傳輸功率介于上述兩者之間，可應用的范圍較為廣泛。但是該技術目前還處于研究階段，很多問題還沒有研究清楚。理論部分仍需要科技工作者不斷完善，應用部分現在也有諸多問題尚需解決，如線圈諧振器的品質因數問題，頻率分裂問題，以及要想真正應用到生活中要解決的多接收線圈、線圈小型化和電磁安全性問題等。

對于以上存在問題，筆者認為：

1、對于微波式無線電能傳輸首先要提高微波發生器的轉換效率，其次是在現有基礎上逐步改善天線和整流設備的性能。

2、對于電磁感應式無線電能傳輸關鍵是要通過補償電路來優化可分離變壓器，在傳輸效率較高的情況下，提高傳輸距離。

3、對于電磁共振式由于目前還處于實驗階段，存在問題較多，所以需要做的工作也較多，研究空間較大，潛力較大。首先應該在理論上研究清楚，這方面值得科技工作者去深入研究；其次，傳輸功率、效率及距離之間的關系雖有一些學者在研究，但是結論存有差異，所以也可以做些研究。再次，可以研究一下收發線圈的多對一和一對多的問題，對于該項技術的實際應用會有不小幫助。最后，可以研究一些新型材料的應用對于該項技術的促進作用，以及其在諸領域的實用性。

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