無線電能傳輸技術研究

吳培峰，高海濤

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，蚌埠233030）

0 引言

1732 年，美國科學家富蘭克林在人類歷史上第一次研究并提出了電流的概念，1831 年法拉第第一個提出了電磁感應定律，并制作了歷史上第一臺發電機，自此以后電能成為了人類生活中不可或缺的一種能量。即使在今天，人類進行電能的輸送時依然依靠導體介質，或者說利用導線進行傳輸，而在某些情況下導線等介質的存在卻影響了用電器的發展，很早以前人類就開始研究使用空氣作為介質進行的無線電能傳輸的實驗。最早提出無線電能傳輸概念的人是杰出的物理學家尼古拉·特斯拉，特斯拉在1891 年成功的進行了電力無線傳輸試驗（如圖1）。本文主要以此為依據，分析無線電能傳輸系統設計技術及未來趨勢。

特斯拉的系統設計主要依據是電磁感應原理。系統利用高頻交變電流通過繞制的線圈產生感應磁場，在接收級線圈上產生感應電動勢，從而為負載提供電能。這一原理與變壓器類似，只是去除了原副線圈中的磁芯而換做空氣作為介質進行能量的傳輸。這種輸電的方式可以克服導線的局限性，預計未來可以在一些導線布置不便的場合下應用，例如在太空中不便架設輸電線路，在水下進行作業的機器的供電，以及礦井中通過去除導線以減少不必要的火花的產生等場景。

無線輸電系統在近年來受到很多研究人員的青睞，也取得了很大的發展。2007 年，美國麻省理工學院的Marin Soljacic 教授的團隊利用磁耦合諧振的原理實現了在2 米的距離上實現了點亮60W 的電燈泡，該裝置在1 米時傳輸效率最高可達90%[1-2]。自2014 年以來，相關的研究報道逐漸增多。目前的無線輸電系統主要有傳輸效率低，傳輸距離較短，傳輸時對設備擺放位置要求較高等缺陷，如果能夠解決這些問題，未來無線供電，無線電能傳輸的前景將十分的廣闊。

1 無線輸電技術分類

1.1 基于磁耦合共振的中等距離無線輸電技術

磁耦合諧振無線充電技術在2007 年由麻省理工學院的一個研究團隊提出，主要利用諧振原理，當振動系統具有相同的固有頻率時能夠產生一種強耦合狀態，在這種狀態下傳輸損耗減小，有助于能量傳輸，通過產生高頻交變電流在空間中產生指定頻率的諧振磁場，可以在不受空間限制和空氣的阻礙，實現在接收線圈上獲得較高效率的電能傳輸[3-4]。此項技術可以實現中等距離的無線電能傳輸并已有實例出現。

磁耦合諧振無線電能傳輸的系統示意圖如圖1，系統主要由交流電源、初級整流濾波電路、高頻逆變電路、發射驅動電路、發射線圈、接收線圈、次級整流濾波電路構成。通過高頻逆變電路實現發射端接收端達到能夠發生諧振的指定頻率，使得能量的傳輸效率最大化。

圖1 特斯拉的無線輸電系統設計圖

圖2 磁耦合諧振無線電能傳輸的系統示意圖

1.2 基于電磁感應的近距離無線輸電技術

電磁感應電能傳輸技術是一種以電磁感應為基本原理的無線電能傳輸技術。這種設計類似于變壓器的設計，通過去除變壓器磁芯并對線圈進行重新設計，實現類似變壓器的松感應耦合結構，通過一定的技術手段提高磁場的頻率，減少能量損耗。但這種方式傳輸效率會在傳輸距離增大是時傳輸效率急劇降低，因此此技術一般只用于厘米級一下的較短距離無線能量傳輸，傳統的頻射識別（RFID）技術及目前的移動設備無線充電技術大多采用這種技術。

電磁感應無線電能傳輸的系統示意圖如下，系統主要由交流電源、初級整流濾波電路、DC-DC 變換電路，高頻逆變電路，發射線圈，接收線圈，次級整流濾波電路構成。通過對輸入交流電進行整流濾波送至高頻逆變電路，經高頻逆變電路產生高頻交流電后送至發射端線圈產生不斷變化的磁通量，從而產生變化的磁場。通過減小初級線圈和次級線圈的距離從而提高無線充電效率[5]。此種技術目前已經在移動通信領域應用于手機的無線充電器中。

圖3 電磁感應無線電能傳輸的系統示意圖

1.3 基于微波的遠距離無線輸電技術

微波無線能量傳輸系統，利用微波源將輸入直流信號轉化為頻射信號，經功率放大器放大后經天線發送至空間，接收端通過接收天線對信號進行接收，經接收端整流濾波電路進行轉化，變為直流信號，并輸送至負載端[6]。由于微波在空間中散射損耗強，因此微波無線能量傳輸系統功率較低，但傳輸距離較遠。實際中通常選用2.45GHz 和5.8GHz 兩個大氣微波窗口中以減小微波穿過大氣時的衰減。配合發射端較大口徑功率密度的反射面天線可以實現低功耗設備如體內醫療設備等的能量傳輸。未來如果能夠設計出大體積高功率微波能量傳輸設備或將用于太空中衛星，空間站等之間的能量傳輸。

微波無線電能傳輸系統的主要設計結構示意圖如圖4，系統由微波信號源，功率放大器，微波發射天線，微波接收天線和微波整流電路等構成。通過改進高性能全固態微波源，能夠進一步提高整機效率，同時改善微波發射和接收天線的增益，可以實現進一步提高傳輸效率，目前微波無線電能傳輸系統仍處于實驗階段，實際應用較少。但微波無線電能傳輸系統也是目前太空空間實驗中前景最好的一種能量傳輸系統[6]。

圖4 微波無線電能傳輸系統的主要設計結構示意圖

2 發展趨勢和應用分析

2.1 發展趨勢分析

目前國內外無線電能傳輸領域，傳輸方式方面基本已經形成固定模式，主要分為磁耦合諧振傳輸、電磁感應傳輸和微波傳輸三種主要技術，近年來，在無線輸電領域國內外取得的新成就主要有傳能線圈結構改進設計，增加中繼線圈及傳輸效率的影響，應用新材料改善磁場的分布，拓展應用方式等研究方向。國內近年來在無線電能傳輸領域的研究也逐漸增多，專利數量逐年增加。目前中國空間技術研究院也在開展有關微波和飛秒激光的無線輸電技術的原理和應用相關研究。

2.2 無線電能傳輸的應用分析

（1）移動通信設備

近年來移動通信設備的無線充電設備的研究和應用不斷深入，目前已有多家公司在其旗艦手機中應用了無線充電技術。例如蘋果公司的iPhone XS 智能手機。目前手機的無線充電技術距離在1CM 以下傳輸功率最高可達18W，可以實現快速充電。并且在相關方面已經形成統一的技術標準“Qi 標準”。

（2）新能源汽車

新能源汽車目前是政府大力扶持的節能項目之一，目前在新能源汽車中的無線充電技術也以投入應用，如著名的電動汽車品牌特斯拉最新的電動汽車便支持無線充電技術，國內廠商比亞迪在其新能源公交車中應用了可以自動偵測發射線圈位置自動準確停靠進行充電的無線充電系統。

（3）新型醫療器械

目前醫療方面有基于電磁感應耦合的無線電能傳輸系統的應用。常用于一些植入式醫療裝置和體內檢測裝置的供電。此類裝置不僅取消了物理的連接，也使得這些醫療設備減少了更換電池的頻率，降低了患者的痛苦，同時還可以兼顧器械的數據傳輸的通道。

（4）智能家居

近年來智能家居設備蓬勃的發展，智能家居設備的數量呈現指數級增長，而眾多的設備的供電線路增加了家庭環境的壓力，破壞了美觀性。而無線電能傳輸的應用可以極大地緩解此類問題，海爾公司就曾在2010 年發布無尾電視，去除了連接線的阻礙。目前這方面研究的前沿是設計一個統一的發射端設備為多個家居設備供電。

（5）水下、礦井內供電

在礦井中使用無線電能傳輸可以避免因導線間隙而產生的電火花而造成的安全隱患。在水下作業和礦井中作業時采用無線電能傳輸系統還可以減少導線的束縛，增加設備的移動性。目前這方面的研究在積極開展中。如中國礦業大學田子建教授在無線電能傳輸在煤炭礦井中的應用的相關研究[7]。

（6）空間領域

在空間領域的無線電能傳輸方面的遠期應用目標有空間太陽能電站的建設，在空間建設太陽能電站能夠顯著提高能量收集效率但卻面臨著難以傳送至地球上的問題，同時目前國內研究團隊也在積極研究關于臨近空間飛行器電力供給微波無線能量傳輸系統技術的發展[8-9]。

3 無線輸電系統的亟待解決的問題

3.1 能量傳輸效率低

無線輸電系統目前無法大規模應用的主要障礙便是傳輸效率低，例如2007 年Marin Soljacic 教授的實驗中當傳輸距離達到2.1 米時傳輸效率會急劇降低到40%。一般情況下隨著傳輸距離的增大，無線輸電系統的效率會急劇降低。如何提高無線輸電系統的效率是目前研究的熱點問題。

3.2 中短距離傳輸系統中繼技術的研究

對于雙諧振線圈的磁耦合諧振無線輸電系統有一個最佳的工作距離，一旦超出最佳距離后，系統的傳輸效率會急劇降低。而中繼線圈的加入可以在一定程度上提高系統傳輸效率。中繼線圈可以減少因傳輸距離增大而導致的耦合強度降低的問題[10]。

3.3 多接收端傳輸系統的設計

在實際應用中多負載的無線電能傳輸系統更有應用前景。如何將一個負載線圈接收系統推廣至多個接收端，以及接收端線圈的排布（同側、異側等），多接收端系統的傳輸效率問題和諧振系統間的耦合參數問題等都是目前研究的難點[11]。

3.4 電磁輻射對環境的影響

由于無線電能傳輸系統主要依靠高頻電磁場進行能量的交換和傳輸，無論是磁耦合諧振還是微波無線電能傳輸系統都可能會導致人體暴露在電磁環境中，例如我國環保總局頒布的《電磁輻射防護規定》中對于公眾暴露環境中要求24 小時內全身平均SAR（比吸收率）不大于0.02W/kg。無線電能傳輸系統能否保證在對人體安全的范圍內實現傳輸是一個非常重要的問題[12]。

4 結語

無線電能傳輸系統描述了一個無線供電的美好未來，而目前這項技術也在積極地發展中，無線輸電系統的完善也需要克服眾多的障礙。本文分別分析了目前比較成熟的三種無線電能傳輸系統，并對目前存在的技術問題進行了分析，同時介紹了無線輸電系統的應用場景。相信在不久的將來，無線輸電系統將走進我們的生活，徹底改變未來電能傳輸的方式，開展電能應用的新時代。