磁耦合諧振式無線電能傳輸的研究現狀和應用

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722133

摘要：磁耦合諧振式無線電能傳輸技術是一種高效非輻射能量傳輸的WPT技術。本文主要介紹了三種主流WPT技術的國內外發展現狀，通過對磁耦合諧振WPT的原理介紹，對比三種WPT技術，闡述了磁耦合諧振WPT技術的應用廣泛，并對其發展前景進行展望。

關鍵詞：磁耦合諧振；WPT；高效非輻射

中圖分類號：TM724文獻標識號：A

隨著社會的不斷發展，無線電能傳輸技術越來越受青睞，由于無線電能傳輸是一種通過非物質媒介實現用電設備與供電系統之間能量傳輸的方式，它不受導線、電源插頭壽命等限制，也可避免由于電路連接問題產生的電火花等，極大的方便了人們的生產生活。

1 無線電能傳輸的發展

1.1 國外發展現狀

早在十九世紀九十年代，就有人提出了無線電能傳輸技術，但由于人類認知有限和技術能力不足，當時的理論只停留在構想階段，無線電能傳輸也因此在很長一段時間無人提起。直到20世紀六十年代，由于社會格局的變化，政府開始對空間技術的發展構想，人們提出了建立空間電站的設想。故在1963年William C.Brown完成了第一個無線電能傳輸實驗，它是利用電能轉換的方式（即將直流電能轉換為微波，并定點聚焦到接收器）實現能量的傳輸[1]。1968年Peter Glaste首次提出向太空發射太陽能發電平臺，利用外太空太陽能發電衛星，先將太陽能轉換為電能，并通過激光或微波形式將電能傳輸到地面上的接收裝置，最終將微波能量轉化為所需要的電能供人們使用[2]。但是由于成本、技術、輻射等原因，當需要遠距離傳輸并且在比較空曠的場合，該技術的傳輸效率會很高[3]。

到20世紀90年代，新西蘭奧克蘭大學Boys教授[4]領導的科研小組開始對電磁感應式無線電能傳輸技術展開全面的研究，課題組提出了一套完整的電磁感應無線電能傳輸理論，從實驗中分析該技術的傳輸效率、系統頻率、系統穩定性等問題，使其能夠用于多個領域。電磁感應式無線電能傳輸技術現在已經非常成熟了，利用這項技術研發的很多產品都已經應用于生產生活中，例如對電動汽車、電動牙刷、MP3或MP4、平板電腦、智能手機[5]等生活設備的充電。2015年1月，德國寶馬公司研發了一款跑車寶馬i8，這款跑車就是利用電磁感應式無線充電技術設計的。由此可見此項技術的應用越來越廣泛。

而最早提出磁耦合諧振式無線電能傳輸技術已經是2006年11月，提出者是美國麻省理工學院的Marin Soljacic教授[6]，隨后的一年里，他領導的研究小組通過對諧振線圈的材質、相似度、半徑、高度、距離等的研究，最終在2007年6月，他們以40%的傳輸效率將2.13m遠處的60W燈泡點亮。由于磁耦合諧振技術屬于中等距離電能傳輸，并且對人體不會產生較大的傷害，因此該技術相較于電磁波輻射無線電能傳輸技術和電磁感應式無線電能傳輸技術應用更加廣泛。2010年9月Wi Tricity公司與德爾福汽車系統公司采用磁耦合諧振技術研發了對電動汽車充電的無線充電系統[7]。2011年Thuc Phi Duong等學者對系統的傳輸效率做出了一定的改進，實現的方法主要是改變發射和接收線圈之間的距離[8]。同年，Dukju Ahn等對中繼線圈的數量、設置位置等所引起的系統傳輸效率變化進行了深入研究，并由此得到了系統傳輸效率的變化規律[3]。2012年日本利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術實現了穿透式無線充電，并且傳輸效率高達90%。2013年之后，韓國、歐美等國家也相繼建立了無線充電網絡，為行駛中的電動汽車進行充電。2016年，美國橡樹嶺國家實驗室實現了20KW功率下對電動汽車充電，電能傳輸效率高達90%，并且充電速度也是近于普通接觸充電的三倍，這是無線電能傳輸技術中的一項重大突破，為以后的無線電能傳輸技術的發展打下了基礎。

1.2 國內發展現狀

在國內，無線電能傳輸技術起步較晚，2001年李宏教授最先對感應耦合式無線電能傳輸技術進行研究和應用，他首先對該項技術做出了系統的介紹，然后提出了該技術在礦用電力機車上的可行性報告[3]。接著，中科院院士嚴陸光和武瑛博士、浙江大學何湘寧教授及其團隊、重慶大學孫躍教授及其團隊、西安交通大學王兆安教授及其團隊等分別感應耦合式無線電能傳輸技術進行了研究，目前該技術在國內也是比較成熟的。

而國內最早研究磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的是2007年哈爾濱工業大學的朱春波教授實驗室，他們通過對不同諧振中繼線圈的對比，以及無線傳感器的裝備，提出了傳輸效率較高、傳輸距離較遠的磁耦合諧振系統。華南理工大學張波教授領導的課題組設計了一套實時同步跟蹤系統[9，10]。東南大學黃學良教授課題組研制出一種新型磁耦合諧振式無線電能傳輸樣機以及由其應用于電動汽車輸電網絡的控制系統。天津工業大學楊慶新教授領導的課題組通過對諧振頻率、耦合方式等的分析和仿真得到了系統的最佳傳輸距離和最大傳輸功率。重慶大學提出了無線輸電網絡，并對單一性傳輸和多點傳輸進行研究比較，并在2013年研制了國內第一輛利用該技術設計的無線充電電動汽車。隨著社會的發展，國家對新能源汽車的支持，現在越來越多的科研單位、高校、企業參與磁耦合諧振式無線電能傳輸的研究。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸的基本原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統主要有兩大系統分組成：電磁發射系統和電磁接收系統。電磁發射系統主要是高頻激磁電路將工頻交電流通過發射線圈使其產生諧振，從而產生高頻電流，再由發射線圈產生高頻磁場，將能量傳送出去。電磁接收系統主要是接收線圈與高頻磁場發生耦合，并使接收線圈發生諧振并產生感應電流，再通過整流、濾波，最后供給負載，從而實現電能的傳輸。

磁耦合諧振式無線電能傳輸的理論分析模型主要有三種：一是傳統的電磁場理論；二是耦合模理論；三是等效電路理論。

3 應用和發展

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術有傳輸效率高、中等距離傳輸、穿透性良好、容易實現等特點，因此在移動終端設備、電動汽車和醫療設備充電方面的應用前景很好。現在在很多國家已經建立了電動汽車充電網絡，該技術也將在其他領域等到更大的發展。隨著我國國民水平的提高、新能源意識的加強，電動汽車也將成為一種趨勢，網絡充電系統也將大力發展。

參考文獻：

[1]Brown W.C. Experiments in the trasport ation of energy by microwave beam [C]. IRE Internationl Convention Record， 1964：817.

[2]Glaser P E. Power from the sun： its future[J].Science，1968，162（3856）：856861.

[3]龔興磊.基于磁諧振無線電能傳輸的電磁機械同步共振系統研究[D].南京航空航天大學，2016.

[4] Kissin M.L.G.，Boys J.T.，Covic G.A. Inter phase MutualInductance in Polyphase Inductive PowerTransfer Systems[J].IEEE Tra nsactions on Industrial Electronics，2009，56 （7）：23932400.

[5]Villa.J.L，Llombarta，Sanz.F.J. Optimal de sign of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：2140 2149.

[6]Aristeidis Karalis，J.D. Joannopoulos， and Marin Soljacic. Wireless NonRadiative En ergy Transfer. The AIP Industrial Physics Forum，2006.1.

[7]袁偉.磁耦合諧振式無線電能傳輸距離特性研究[D].湖北工業大學，2016.

[8]Duong T P， Lee J W. Experimental Results of High Efficiency Resonant Coupling Wir eless Power Transfer Using aVariable Cou pling Method[J]. IEEE Microwave &Wireless Components Letters，2011，21（8）：442444.

[9]傅文珍，張波，丘東元.頻率跟蹤式諧振耦合電能無線傳輸系統研究[J].變頻器世界，2009（8）：4146.

[10]傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報，2009，29（18）：2126.

[HTH]基金項目：[HT][HTK]西華師范大學2015年度校基金科

研青年項目，磁耦合諧振式無線電能傳輸的研究（項目編號：15D007）[HT]

作者簡介：唐玲（1985），女，四川綿陽人，

講師，研究方向：電路與系統設計，圖像處理。