淺談無線充電磁耦合共振線圈的應用與發展

周惠媛

（廣東工業大學，廣州510000）

1 引言

談論無線充電技術的源頭就不得不說一下它的鼻祖磁與電，我們知道從安培開始發現磁場，就意味著無線充電技術發展的可能性。隨后，一些關于電磁學的物理實驗和理論基礎也逐步產生，比如：電磁感應現象、電磁場方程、電磁輻射、微波輻射原理等。隨著人們對無限充電需求越來越膨脹，科學家們從來沒有停止對它的探索。在距離現在一百八十年前，無線充電的概念首次被提出，在此之后，奧斯特、法拉第、特斯拉和馬可尼等世界著名的科學家都先后在實驗室中進行了潛心的研究。[1]在1893年的哥倫比亞世博會上，一位美國科學家Nikola Tesla和人們展示了他的無線照明燈。這位Nikola Tesla就是利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導線連接下就點亮了一個燈泡。2007年美國麻省理工的教授Matin等人隔空點亮了一盞功率為60W的燈，而這盞燈距離電源有2米，且效率還達到了40%，在這之后世界各地越來越多的研究人員開始了無線充電的研究。

隨著科技和社會不斷的進步，無線充電有望為世界各地的人帶來更多方便與自由。目前無線充電主要包括了四個形式：電磁感應方式、電場耦合方式、磁諧振方式和電波接收方式。對四種無線充電技術進行一個對比，電磁感應充電的有效距離太小，且充電效率太低，而磁諧振充電的距離、傳輸效率較高，所以這是無線充電技術的發展方向。[2]目前世界上受到關注最多的是磁場耦合式，使用電源側的線圈產生交變磁場，從而使磁場耦合到負載側的線圈上，來進行能量的傳輸，而這其中又可以根據是否發生了諧振分為感應式和諧振式。

本文將針對目前研究的最為熱的MCR-WPT進行研究與進展的綜述。從MAC-WPT的傳輸理論出發，具體說明目前國內外針對MCR-WPT的研究現狀以及熱點問題。最后在已有的研究理論上，簡略討論了其中還待研究的問題和發展趨勢。

2 基本結構以及原理

MAC-WPT的線圈工作模式主要有2種類型，第一種是2線圈的第二種是4線圈的。利用2個諧振線圈來進行無線能量傳輸的結構，被稱為MCR-WPT的2線圈拓撲結構。此外，為了進行電源的匹配和負載匹配，在文獻[3]中在2個線圈的拓撲結構基礎之上，又增加了2個感應線圈，自此電源線圈就與發射線圈隔離，而負載線圈則與接收線圈隔開。這是MAC-WPT的四線圈拓撲結構，這兩種拓撲結構的圖如圖1所示。

電磁耦合共振式無線充電系統電路模型借助兩個共振線圈進行能量無線傳輸。模型如圖1a所示，圖中，輸入電壓源電壓為Uin，耦合共振線圈L1和L2，在高頻磁場下的電阻為R1和RL，產生的電容分別C1和C2;RL為負載。若傳輸系統的角頻率為ω，則初級，次級的阻抗為Z1，Z2。電磁耦合共振式無線充電系統電路模型借助四個共振線圈進行能量無線傳輸。模型如圖1b所示，圖中輸入電壓由Rsource和Vsource組成。耦合線圈圖L1，L2，L3和L4，其中線圈之間的耦合系數為K12，K23，K34為了方便起見接下來我們將忽略線圈之間的交叉耦合。各個線圈在磁場下的電阻為Rp1,Rp2,Rp3,Rp4。所產生的電容為 C1，C2，C3，C4。Rload 為負載。

圖1

為了能夠更高效地傳輸能量，發射線圈和接收線圈的自諧振頻率都設置為同一個頻率使之共振，即為系統的諧振頻率。文中所說的四線圈結構相比于兩線圈結構，其優點就在于能夠進行電源和負載的匹配，所以可以在很大程度上抵消掉一部分電源和負載對線圈的影響。

3 無線充電的應用

MCR-WPT技術既面臨了很多挑戰但又得到了廣泛和深入的研究。目前應用于實際的系統中的MCR-WPT，主要包括植入醫療器械如無線充電在心臟起搏器中的應用，以及電動汽車充電等。再比如已經應用到小家電領域的無線充電技術，如：電動剃須刀、電動牙刷等；還有一些便攜式電子產品：手機、電子書、筆記本電腦、電子手表等。

4 無線充電的發展以及還待研究的問題

無線充電技術雖然得到了一定的發展但在發展過程中仍舊存在一些棘手的技術問題。第一，充電效能不高。一旦距離稍微遠了一點充電的效率就會急劇降低，這需要浪費大量的時間和資源才能完成充電，故而使用意義不大。第二，充電過程中的安全問題。大功率的無線充電設備會產生大量的電磁輻射，對身體健康造成一定的不良影響，同時也會對飛機、通信等產生干擾影響。第三，實用性方面。目前的無線充電技術還是只能需要固定在某個定點的位置才能實現，這并不方便故而實用性不高。第四，價格昂貴，由于無線充電技術目前還只是處于初步研發應用階段，研究的成本較高，所以其研發的產品價格也相對高昂。

5 總結

本文分析了目前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的現狀以及發展情況。綜述了當前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的兩種結構以及原理和無線充電在實際應用中遇到的一些問題等。并且在這些熱點問題分析的基礎之上，討論了該項技術有待研究的問題以及發展趨勢。無線充電技術的應用和發展是充電技術領域的一次重大突破。我們終于實現了不需要電源線，就能隨時隨地自由方便充電的夢想。可以看到，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術正在得到深入研究。隨著市場需求的不斷擴張，以及我們的不斷探索，相信無線充電技術將會迎來新一輪的發展與進步，在可預見的未來，該項技術將會有一個廣泛的應用，并且將帶動更長距離、更大功率的無線電能傳輸技術的發展。