無線電能傳輸技術應用研究現狀與關鍵問題

李翔

【摘 要】現當今，隨著我國經濟的快速發展，作為一種傳輸技術，無線電能傳輸（WPT）傳輸能量主要依靠電磁波或電磁場。無線電能量的傳輸方式有三種：一種是電磁感應，常用于低功率、短距離的電能傳輸。二是電磁共振，常用于中功率、中距離輸電。三是電磁輻射型，常用于大功率、遠距離輸電。近年來，電力電子器件、電力轉換、材料科學和控制技術都取得了長足的進步。在這種情況下，無線電能量傳輸逐漸成為現實，受到越來越多的關注。傳統電力傳輸中使用的傳輸載體主要是電纜。以這種方式傳遞動力，摩擦和傳遞損耗是難以避免的。此外，如果線路老化，有針尖放電等因素的影響，容易接觸火花，這無疑是供電安全的致命缺陷，根本沒有可靠性。另外，采用傳統的輸電方式，大大縮短了電氣設備的使用壽命，而且不良的電氣設備相互接觸，會增加接觸電阻，造成高溫，使火災的形成進一步增加。在礦山、石油開采這些特殊場合，傳統電纜上面的缺陷是非常致命的，很可能引起爆炸、火災，這將帶來巨大的安全隱患和嚴重的經濟損失。在水下，傳統的電纜電源也能使人在水中受到電擊。而WPT沒有電線連接，主要采用電磁感應、微波、電磁磁共振等形式傳輸功率，完全避免了傳統電纜傳輸帶來的各種危害。因此，無線傳輸是一種安全可靠的新型電力傳輸方式。

【關鍵詞】無線電能;傳輸技術;應用;研究現狀;關鍵問題

引言

自從人類學會用電，便與電密不可分。如今，人們生活中電氣化程度越來越高，電能的應用越來越多。傳統電能傳輸普遍采用金屬導線和電纜線等傳輸介質，其在電力傳輸過程中不可避免地會產生傳輸損耗、線路老化、尖端放電等問題，從而為一些易燃、易爆場景的供電設計帶來困擾。無線電能傳輸作為一種新型的電能傳輸方式有效地避免了“不宜、不易”使用導線供電場景中的諸多弊端，提高了供電方法的自由度，拓展了人們對電能傳輸方法的想象。

1簡述無線電能傳輸技術

無線電能傳輸（WirelessPowerTransmission，WPT）作為新型電能傳輸技術，主要依靠電磁場或電磁波傳輸能量。現在的無線電能傳輸方式主要有三種：（1）電磁感應式，其特點是傳輸距離短，傳輸效率高;（2）磁耦合諧振式，傳輸距離適中，傳輸效率高;（3）電磁輻射型，傳輸距離長，傳輸效率低。這三種主流的無線電傳輸方式各有優缺點。對于電磁感應式，它具有較高的傳輸效率，降低了對使用材料的環保效果，但傳輸距離太小，實際方面局限于厘米級，傳輸效率易受位置的影響，也可能是由于異物進入發熱的問題。磁耦合共振具有傳輸效率高的優點。傳輸過程不受空間障礙的影響;輻射小，對人體幾乎沒有危害，其缺點是成本高，對硬件要求高，受到外部干擾會發生失諧，不利于調試。電磁輻射具有傳輸距離長的優點，但電流傳輸效率過低，在遇到障礙物時會中斷傳輸過程。在目前的無線電傳輸技術中，磁耦合諧振無線電傳輸是應用最廣泛的。基于電磁感應的磁耦合諧振無線電能量傳輸系統，結合現代電子功率能量轉換技術和控制理論，提出了一種新的功率傳輸方式，由于其功率大，傳輸效率高，潛在實用價值高，引起了專家學者的注意。工作原理的磁耦合諧振無線能量傳輸系統是使用兩個諧振對象相同的頻率，并生成一個強耦合效應通過能源兩個對象之間的交互，并使用線圈的兩端板電容器形成諧振電路的能量傳輸。

2無線電能傳輸技術國內外研究現狀

我國對于無線電能傳輸技術的研究歷史尚短，不過也取得了較大的研究成果，我國對于無線電能傳輸技術的研究起步于2001年，當時西安石學院的李宏教授，將礦井用感應電力機車與感應電能傳輸技術進行開創性的研究，并在重要學術期刊上發表研究文章。與此同時，重慶大學自動化學院也對電磁感應耦合無線電能傳輸進行了專項研究，而且及奧克蘭大學課題組與海爾集團組成研究小組，通過與PatrickAiguoHu博士進行學術研究，將無線電能傳輸技術的研究推向新臺階，研究小組在理論技術研究方面獲得了較大的學術成果。2002年，該研究小組就感應式電能傳輸的實際應用進了試驗，將該技術應用于日常電器和充電汽車等應用場景中。

3無線電能傳輸技術應用水平與重點問題

3.1醫療領域

醫學領域的應用主要集中在生物醫學植入設備。由于植入設備的特殊性，大尺寸植入設備可能導致組織炎癥甚至細胞死亡，因此植入設備無線電源的研究重點主要集中在接收器的小型化上。圖1為NUS無線電源線圈。Thakor對電磁感應無線電源在神經領域的應用進行了詳細的研究。植入線圈采用銅線設計，在5mm傳輸距離下，最大傳輸效率為65.8%。然而，由于電磁感應的特性，當傳輸距離增大時，能量會大大衰減，導致長距離傳輸效率較低。

為了解決電磁感應式無線供電遠距離傳輸效率低的問題，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）與英屬哥倫比亞大學（UBC）共同提出一種小型化的磁耦合諧振式無線供電系統，如圖2所示為KAUST與UBC用于醫療的線圈，其發射線圈直徑為37mm，接收線圈直徑為30mm，在20mm處傳輸效率可達82.4%，對比電磁感應式，采用磁耦合諧振可以克服電磁感應式在人體組織中的衰減。

斯坦福大學AndrewMa對無線供電在醫療領域的應用做了系統的評估和實驗，并設計了更小尺寸的植入設備，如圖3所示為斯坦福用于醫療的線圈。其接收線圈直徑為2mm，發射器尺寸為60mm×60mm，同時論文對無線供電的安全性做了研究，在500W輸入的條件下，比吸收率（SpecificAbsorptionRatio，SAR）值低于規定的2W/kg。

由上述可以發現，在醫療植入設備領域中，無論是電磁感應式還是磁耦合諧振式，都是采用大線圈對小線圈供電的方式，但是由于電磁感應式能量隨距離的衰減，磁耦合諧振式在傳輸距離上有更多的優勢。此外，由于接收線圈尺寸太小以及人體不能夠接受太高的比吸收率，現有的體內植入式的無線供電裝置都存在輸出功率小的缺點。

3.2航空領域

無線電能輸送技術已開始在航空領域得到應用。MPT技術的發展改良了現有的空間太陽能發電，空間太陽能發電已開始利用微波向地面和衛星傳輸電能。空間太陽能發電中的WPT技術在經歷多階段發展后，發射、反射和接收技術也都取得了進步。

3.3交通運輸領域

目前，ICPT技術在運輸領域得到了廣泛的應用，在電動汽車和軌道機車的充電裝置中得到了廣泛的應用。新西蘭奧克蘭大學（UniversityofAuckland）旗下的Kris公司已經在羅托魯瓦國家地熱公園（RotoruaNational地熱公園）的電動客運車輛中使用了這項技術。目前，無線能量充電裝置已成為無線功率傳輸領域非常熱門的研究方向，并逐漸向實用化方向發展。具體分為移動方向和固定方向：移動電動汽車充電裝置可以隨時為行駛中的車輛補充能量，在相同行駛里程的情況下，大大降低了車輛所需的電池容量;在靜止充電過程中，車輛保持靜止狀態，傳輸功率和傳輸距離能夠滿足電動汽車底盤高度和充電功率的需求。

結語

隨著無線電能傳輸技術的不斷成熟完善，在以后的生產、生活中，人們日常使用的照相機、電腦、手機、照明等日常移動設備和生產設備，可以實現無線使用，從而提高生產、生活用品的安全性、穩定性和可靠性。

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