無線電能傳輸技術國內外研究綜述

鐘睿哲，李雷遠，劉 剛，任國芳，張長江，張 震，吳 娛

（北京郵電大學 世紀學院，北京 102101）

1 引言

無線電能傳輸（wireless pοwer transfer，WPT）技術具有方便、安全、靈活性高和環境適應性強的優點，在電動汽車、航空航天、生物醫療等領域具有廣泛的應用前景。WPT技術近幾年來受到了國際和國內學者的廣泛關注，未來具有明確的實用價值和廣闊的應用前景，可以帶來顯著的經濟和社會效益，技術也逐漸發展成熟。

對WPT技術國內外的研究現狀進行了綜述。如今國內研究基本上應用于大方向，對于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術（MCR-WPT）和無線電能傳輸技術如何提高傳輸效率和高電壓傳輸領域進行了研究。國外的研究涉及各個領域，應用也十分廣泛，如機器人、電動汽車、磁懸浮列車、無人機等等。論述了WPT系統的設計，為進一步研究提供了有益的理論參考。

2 國外研究現狀

MCR-WPT是WPT系統中的一個重要研究領域，由于MCR-WPT具有適用于中距離傳輸、傳輸效率高、供電相對安全、傳輸功率大等特點，很快成為了WPT系統中的研究熱門。文獻[1]通過分析耦合系數對系統傳輸效率的影響后，提出了一種雙向螺旋線圈（DTSC）的設計方法。該方法通過縮小系統的頻率分裂區域，達到了提高系統的短距離傳輸效率的目的。同時分析了雙向螺旋線圈的內外半徑、匝數和節距對無線電能系統效率的影響。文獻[2]推導了在不同角偏轉和橫向偏轉時有關于傳輸效率變化的數學公式，研究角偏轉和橫向偏轉對傳輸效率的影響，從而得到了傳輸效率隨角度失調和側向失調的變化規律。文獻[3]通過綜合分析徑向間隙和線圈半徑，推導了徑向間隙與線圈半徑之間比例的關系式，找出其對WPT效率影響的規律，并驗證了軸向距離對該比例的影響最大比值。文獻[4]提出具有負磁導率的螺旋超導超材料，用于利用磁耦合諧振實現高效的WPT。通過分析超導超材料對效率提高的影響，確定了超導超材料的最佳位置，并且驗證了超導超材料通過增強倏逝波耦合，可以顯著提高系統的傳輸效率，且具有較低的損耗性能。文獻[5]提出了一種結合超表面的可植入式MCR-WPT的設備，可以用于生物領域，分析了負磁導率超表面的性能及其對WPT效率的影響。最后，通過實驗測試驗證了與負磁導率超表面的MCR-WPT系統的高效性。

而目前有很大一部分是基于WPT傳輸效率和安全性能所做的研究。文獻[6]由于無線電能存在停電的問題，所以采用自適應粒子群優化（SA-PSO）的資源分配算法，WPT的功率和傳輸時間的聯合優化應對電能中斷的問題。文獻[7]針對WPT經常受到基站與WPT終端天線輻射方向和天線極化失準的問題，提出了一種解決方法對天線進行對準。文獻[8]根據有效非對稱電感環（IL）的初級線圈具有高品質因數，它的工作范圍在自激振蕩頻率（SRF）以內的特性。由此推出適用于自激振蕩頻率中的高品質因數（high-Q）的方法。文獻[9]就輻射WPT使用相同的頻譜或硬件所導致接收能量和傳輸數據不能同時進行的問題進行了研究，并研究了無線設備何時采集能量、何時發送數據以及使用何種傳輸速率的問題。使在點對點信道上傳輸數據包序列時的延遲最小化，以獲得最優傳輸功率。文獻[10]在雙源無線供電系統為移動電子設備充電時，為了獲得接收線圈與發射線圈之間的實時互感，提出了一種主要參數（電流和電壓）的檢測方法，替代接收端與發射端之間的無線通信。文獻[11]介紹了一種均衡電池電壓方法，由于多接收機WPT系統具有節省空間、易于實現、提高安全性等優勢，將其替換現有的多繞組變壓器，并進行了性能分析。文獻[12]中針對串聯式補償WPT系統，提出了一種離散滑模控制（DSMC）的方案，以便快速地實現最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調節，實現成本較低，而且不存在通信延遲，從而增強了控制性能。文獻[13]中提出了一種新方法，基于可重構的磁諧振結構，實現了高能量效率。此方法的基本原則是創建一個以上的有效負荷曲線。WPT系統被控制在可重構電路的能效曲線的頂部區域內運行，這樣就可以在非常廣泛的負載范圍內實現高效率的傳輸。文獻[14]將印刷電路板（PCB）型混合超材料板（HMS）相結合，可以在提高功率傳輸效率同時減少高感應電磁場的泄漏。文獻[15]提出開關鍵控的新方法，在不使用dc-dc功率轉換器的情況下實現高效率運行，降低了平均開關頻率和開關損耗。文獻[16]發現使用高增益天線可以提供更高的功率，在低功率密度環境下射頻功率采集。提出一種行波陣天線（GAA），其在廣角范圍內具有良好的靈敏度和有效性。文獻[17]提出了可以進行大動態范圍RF-dc轉換的新型整流陣列，并且研究了該整流陣列電路的三種不同應用，包括同類型二極管設計的雙二極管整流陣列、不同類型二極管設計的雙二極管整流陣列和不同類型二極管設計的三個二極管的整流陣列。文獻[18]針對WPT中存在對人體有傷害的電磁危害（EMH），提出一種劃分有害無害區域的方法。文獻[19]中闡述了電能通過多個電源多次傳輸電能，導致該系統效率的低下和成本高昂的問題，由此提出、分析和控制一種新的基于電流直接饋電于ac-ac變換器的方法去控制感應式無線電能傳輸功率變換器的拓撲結構。

由于目前WPT技術相對成熟，所以在具體的應用中被廣泛使用。文獻[20]在磁懸浮列車的應用中使用共振強耦合方法，彌補導線和連接節點不可避免地會造成較大的熱損失，并且研究了在不同尺寸的Rx線圈陣列下，多Tx和多尺寸的單Tx線圈的傳輸效率和冷卻成本，最后采用氮氣蒸發法對長單天線陣和多天線陣下不同尺寸高溫超導接收機的冷卻成本進行了評估。文獻[21]在插入式混合動力電動汽車（PHEV）充電應用中，對不同類型無線充電器拓撲結構的應用進行了詳細分析。文獻[22]提出了一種用于無線電動汽車充電的多用途隧道磁阻（TMR）傳感器組成的矩陣，該傳感器不僅可以監測充電狀態，還可以檢測線圈未校準的問題和金屬物體。文獻[23]提出了一種新的拓撲可重構電容補償網絡，旨在實現多電動汽車無線充電的能量加密，即可以在減少電容數量的同時顯著擴大電容的補償范圍，從而有效提高多目標無線充電系統的安全性能。文獻[24]主要針對動態和準動態兩種類型的無線充電電動汽車進行研究，分別是在行駛中充電和在臨時停車時充電，并且對充電設施如何配置等問題的研究現狀進行了綜述，其中包括對成本效益的分析、計費和定價，以及其他相關配套的業務和設備。文獻[25]針對于動態充電在低速中的應用場景提出了一種優化效率的方法，在調節輸出電壓的同時還可以提高系統效率，還提出一種電流控制的優化方法，在接收機沿軌道運動的過程中，同時動態地調整發射電流的方向和比例。文獻[26]綜述和比較了可提高車輛到電網（V2G）和電網到車輛（G2V）功率的各種雙向ac-dc和dc-dc變換器拓撲結構，還討論了V2G應用中包含的各種類型的充電器/充電器系統，如集成/非集成和導電/感應等，并根據提出的一些進行比較的標準。文獻[27]針對無人機運行時間短的問題，設計了一種最佳的耦合結構和參數構成的非對稱耦合WPT系統，有效地提高了無人機的充電性能。文獻[28]提出了一種對于工業機器人彈性關節可以多方面全狀態跟蹤控制的實用方法。采用奇異攝動法進行推導，通過兩個解耦控制回路，一個控制偏轉誤差的快回路和一個在鏈路層上跟蹤控制的慢回路，實現對機器人彈性關節多方面全狀態跟蹤控制。文獻[29]針對海水中的無線電能傳輸系統不可避免地會由于渦流損耗而造成能量損失的問題，提出將兩個發射線圈對稱地放置在接收線圈的兩邊一個線圈結構，從而提高電能傳輸效率。文獻[30]利用麥克斯韋方程組建立了在海水中無線電能傳輸系統失調時渦流損耗的解析模型，并推導了電場強度和渦流損耗的理論表達式，最后分析了在不同程度失調時的渦流損耗。

3 中國研究現狀

中國對于MCR-WPT目前的研究大多都是基于硬件的研究，以提高傳輸效率。文獻[31]通過對ZVS型E類逆變器建模分析，得出其額定最佳工作狀態下的輸出功率與設計參數、負載間的關系，從而給出電源適應于負載的高效率MCR-WPT系統設計方法。文獻[32-33]根據系統發射線圈上的電流隨負載變化會引起傳輸功率和效率變化的問題，采用集成式LCC補償拓撲，并且通過分析負載和耦合系數對諧振元件的電壓電流應力的影響，提出了諧振元件參數優化的方法。文獻[34]結合諧振無線電能傳輸系統的特點，指出了高頻逆變器的設計難點，對應用于MCR-WPT系統的高頻逆變器類型進行了系統的梳理和歸納，并且提出了高頻逆變器參數設計和元件選型方法，為諧振無線電能傳輸技術的發展提供了技術依據。文獻[35]針對MCR-WPT的4線圈模型中線圈匝數對系統傳輸功率的影響，通過建立系統模型，利用電路理論計算得出系統的輸出功率公式，并使用MATLAB軟件仿真分析了系統的輸出功率曲線，最后得出了結論。

中國利用WPT技術，通過嘗試各種可行的方式提高傳輸效率。文獻[36]研究了基于距離檢測的自適應MCR-WPT系統。采用耦合模理論、E類功率放大器、高品質因數、高集成度諧振體、超聲波傳感器、FPGA處理器和直接數字頻率合成技術，基于專家控制算法提出頻率自適應調節方案以提高傳輸效率實驗，結果表明在頻率分裂距離內，相對于固定頻率，提出的方案明顯提高了傳輸效率。文獻[37]為降低WPT系統工作過程中對電網的諧波污染，提出了一種采用三相單開關Bοοst電路的有源功率因數校正控制方法，利用三相單開關Bοοst電路的輸出特性和串聯諧振電路的阻抗特性規律，對系統在變耦合系數情況下的工作點進行校正，實現了較高功率因數輸入和相對高效率的輸出。

中國在一些應用領域也有所建樹。文獻[38]針對WPT技術在高電壓領域的應用進行了研究，介紹了磁共振式WPT技術的特點，建立了帶有中繼線圈的共振無線傳輸系統的數學模型，并通過分析復合絕緣子的特點，創造性地提出了一種基于復合絕緣子的WPT裝置，提供了一種絕緣子內嵌線圈的設計思路，并進行了實驗驗證。文獻[39]對雙LCL型WPT系統逆變器輸出電流存在畸變提出改進方法進行運用，并從理論上分析了改進方法的工作原理以及可取得的良好效果。

4 國內外研究差距

由于中國在WPT領域的研究起步相對于國外來說比較晚，所以目前國內的研究基本上應用于大方向并沒有完全進入一些子領域，而國外正在快速地向全領域邁進。在本文中寫出了部分國內研究的方向，可以明顯地看出，國內的研究目前還只限于理論階段與實驗室階段，在國外電動汽車、可再生能源等子領域并沒有涉及到，暫時還沒有十分成熟的產品。相比而言國外的研究較為廣泛，由于國外對于WPT起步較早，并且早在1980年前后就出現了一些基本的使用WPT的應用產品。目前，國外的WPT技術已經展開手腳，面向于各個領域，如電動汽車、無人機等等，并且致力于可再生的新能源，在當代的各類新生產品進行了廣泛的應用，并且目前國外的研究已經涉及到了安全性和在各個復雜環境之中如何進行電能傳輸的問題。國外在節約能源、安全性、傳輸效率、在各種環境中的應用和針對于目前環保問題高速發展的電動汽車等領域有所建樹。

5 總結及其今后研究趨勢

目前國外的研究涉及各個領域，應用也十分廣泛，如機器人、電動汽車、磁懸浮列車、無人機等等。并且對于電動汽車進行了大量的研究，涉及電網（V2G）系統、可再生能源（太陽能和燃料電池）。國外的研究普遍對超材料進行了運用，在有效地提高傳輸效率的同時還可以降低電磁場的泄露。如今國外有很大一部分都是在對電能傳輸中的一些子領域進行研究，如天線對準、應對電能中斷、安全性、最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調節等問題。在水下WPT領域也開始進行理論方面的研究，為復雜環境下WPT系統的設計和進一步研究提供了有益的理論參考。而中國研究基本上應用于大方向，對于MCR-WPT和WPT技術如何提高傳輸效率和高電壓傳輸等領域進行了研究。其中對于MCR-WPT技術有廣泛的研究與應用。目前，中國研究著重于提高傳輸效率，以此為基準進行研究。

今后的研究方向趨勢還要以提高傳輸效率、節約成本、以人為本為前提。現在每個新技術的共同研究方向，都是圍繞節約能源和開發可再生能源兩個方面進行的，今后的研究方向趨勢可能會圍繞太陽能和燃料電池兩方面。可再生能源集成到電動汽車充電/放電基礎設施中的應用。基于各類新興產業中的應用。以及對電磁傷害的安全性進行研究，達到無傷害或者少傷害，在水下的環境中如何高功率地進行WPT的研究，如水下運載工具的應用。并且可以推測，隨著研究的不斷深入，人們對于無線充電的便攜性和多樣性的需求也會不斷提高，以及一些高精尖領域也會被開發，例如航空航天領域。