無線電能傳輸技術應用研究現狀與關鍵問題

薛 明 楊慶新 章鵬程 郭建武 李 陽 張 獻

無線電能傳輸技術應用研究現狀與關鍵問題

薛 明1,2楊慶新1章鵬程1郭建武2李 陽2張 獻2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 2. 天津工業大學天津市電工電能新技術重點實驗室 天津 300387）

自美國MIT研究團隊于2007年公開發表對無線電能傳輸技術的研究成果以來，國內外專家學者從科學問題和關鍵技術兩方面進行了廣泛且深入的研究。伴隨著難點問題的突破，無線輸電作為一種新型電能傳輸方式所輻射的領域不斷增多。該文首先對無線電能傳輸技術的分類和組成進行簡要介紹；其次著眼于國內外10余年來，該技術在家用電子設備、智能家居、醫療器件、工業機器人、物聯網、水下探測設備、交通和航天八大領域的應用，重點闡述該技術的應用水平和目前在不同領域中存在的難點問題；再次從文獻和專利兩方面對比分析國內外該技術的研究成果；最后總結了無線電能傳輸技術在各領域實際應用中的關鍵共性問題，并分析無線電能傳輸技術產業化發展現狀。

無線電能傳輸 靜態無線充電 動態無線供電 關鍵問題 應用現狀

0 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。經過多年發展，無線電能傳輸技術在家用電子設備、智能家居、醫療設備、工業機器人、物聯網、水下探測設備、交通和航空航天八大領域快速應用，并正向更廣泛的領域滲透，部分技術研究成果已成功實現產品化與產業化。

1 無線電能傳輸技術簡介

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer Technology, WPTT）于19世紀中后期首次被著名的電氣工程師尼古拉·特斯拉提出[1]，它是一種借助于空間無形軟介質（如電場、磁場、聲波等）將電能由電源端傳遞至用電設備的一種傳輸模式。這種傳輸方式與傳統利用電纜線輸送電能的方式相比更加安全、便捷和可靠，被認為是能源傳輸和接入的一種革命性進步。

1.1 無線電能傳輸技術分類

隨著無線電能傳輸技術理論研究的深入與發展，科研工作者面向不同的應用場景和實際問題，不斷提出與無線電能傳輸技術相關的新名詞和新概念。本文通過查閱現有文獻資料，將無線電能傳輸技術按能量傳輸機理和能量收發端耦合空間位置變化兩種方式進行分類，圖1為無線電能傳輸技術分類框圖。

1.2 磁耦合式無線電能傳輸系統簡介

目前無線電能傳輸方式中，理論研究較多且應用進程較快的主要為磁耦合無線電能方式。目前已有文獻資料[2-5]從能量傳輸原理分類的角度對磁耦合無線電能傳輸系統構成進行了詳細的介紹，本文從能量收發端耦合空間相對位置是否變化的角度進行闡述。

圖1 無線電能傳輸技術分類框圖

1）靜態無線充電系統

靜態無線充電系統以電磁場為原理，高頻電源、電磁耦合器、能量變換模塊和靜止負載為電能流通主路，集成檢測、通信、控制和保護電路，收發端依靠高頻電磁場實現為靜止負載充電。其應用主要包括電子設備、智能家居和醫療器件等功率需求較小以及電動汽車和工業機器人等大功率能量傳輸場景。圖2所示為電動汽車靜態無線充電系統結構。

圖2 電動汽車靜態無線充電系統總體框圖

2）動態無線供電系統

動態無線供電系統是以電磁場為原理，高頻電源、電磁耦合器、能量變換模塊和移動負載為電能流通主路，集成檢測、傳感、通信、控制和保護電路，收發端依靠高頻動態電磁場實現為移動負載實時供電。其與靜態無線電能傳輸系統相比，原理采用感應耦合與電磁諧振[6-7]協同工作方式，最大差異在于電磁耦合系統結構設計、補償拓撲和控制策略方面，并且動態供電系統在系統復雜程度、技術成熟度以及建造經濟性等方面均需要進一步提升。該系統主要應用于高鐵列車、有軌電車和電動汽車等場景。如圖3所示為電動汽車動態無線供電系統結構示意圖。這種供電方式可保證移動受電體實時獲取電能，有效避免了電池續航能力弱和充電時間長的弊端，同時也極大地減輕了受電體的質量。

圖3 電動汽車動態無線供電示意圖

3）準動態無線電能傳輸系統

準動態無線電能傳輸系統[8]構成與靜態無線充電系統類似，其技術成熟度介于靜態系統與動態系統之間，主要應用于移動受電體（有軌電車或電動汽車等）緩慢移動或短暫停車（如交通燈路口）時為車載儲能裝置充電。與傳統的動態無線傳輸系統相比，簡化了系統控制復雜性，降低了基礎設施成本，并能夠使發射端和接收端磁場耦合度高，從而實現能量高效傳輸。

2 無線電能傳輸技術應用水平與重點問題

隨著無線電能傳輸技術在諸多領域的快速應用，本文通過查閱10余年來國內外研究成果，闡述了目前該技術在家用電子設備、智能家居、醫療設備、交通運輸、工業機器人、物聯網、水下探測設備和航空航天八大領域的應用水平，并對各領域中待突破的難點問題進行了總結，表1為該技術在不同應用領域對比分析。

2.1 家用電子設備與智能家居領域

無線電能傳輸技術最早應用于電動牙刷、智能手表、MP3和手機等電子設備領域，其充電采用靜態感應式無線充電方式，由于電子設備的體積較小，線圈結構優化設計、屏蔽方式和電能變換集成化芯片是主要研究方向。目前，針對電子設備的小功率無線充電技術已經成熟，充電標準主要采用無線充電聯盟（Power Matters Alliance, PMA）標準和Qi標準。無線充電產品中電能發射端與接收端尺寸在2～10cm，傳輸距離一般在mm級，并且硬件可通過軟件更新實現兼容。可量產的線圈結構包括HQ-S（單線圈）、HQ-D（雙線圈）、HQ-F（四線圈），以及HQ-O（16線圈）等，并且搭載了專用異物檢測線圈，可檢測直徑小于15mm的標準異物和任何金屬零件，其中，16線圈支持自由位置、15W快充和多設備同時充電[9]。此外，接收側采用的無線充電芯片可兼容多種無線充電標準，自動識別發射端充電協議。2019年，全球航空航天、國防等行業先進技術的主要供應商Astronics公司，宣布推出一款可用于商務飛機為乘客的智能手機和其他設備進行無線充電的充電器，這款15W的充電器已被空客、波音公司采用[10]。航空客機搭載的無線充電模塊如圖4所示。

表1 無線電能傳輸技術在不同應用領域對比分析

Tab.1 Comparative analysis of wireless power transmission technology in different application fields

注：高—★★★★★；低—★。

圖4 航空客機搭載的無線充電模塊

感應式無線充電技術，適合短距離無線充電，充電效率可達95%以上，但在空間自由度上存在劣勢[11]。磁耦合諧振式充電在水平面積和充電垂直距離方面擁有更高的空間自由度，但是傳輸效率低、成本較高。

在智能家居領域，無線電能傳輸技術在產品的智能化中具有重要地位，它改變了傳統上通過插、拔電線使用電能的方式，改善了空間環境和用戶體驗，其主要采用靜態感應耦合方式實現無線充電。

針對感應式中功率等級下的具體應用場景，科研人員從不同角度進行了大量研究工作[12-16]，在理論上取得了諸多可應用于產業化的成果。海爾集團作為中功率等級下無線電能傳輸技術在智能家居領域成果轉化的領先者，近年來不斷推出了諸多可產業化的產品。例如，2010年的世界首臺“無尾”電視、2012年的“無尾”廚電產品以及2016年推出的可用手機APP控制無線充電的衛璽無尾智能馬桶蓋[17]。無線電能傳輸在智能家居領域具有巨大的前景，Wireless Power Consortium在2019年3月表明正在編寫其用于廚房電器的新無線電源標準Ki。此外，科研工作者正在研究采用微波無線供電方式同時給家庭中無線鼠標、手機、計算機、臺燈和加濕器等電器進行無線供電的技術。

綜上所述，目前無線電能傳輸技術在電子設備領域主要還是以靜態感應式供電系統為主，并已經取得諸多可產業化的產品，部分產品已經進入電子商品市場，但具備高空間自由度的充電升級產品還需進一步研發。

在智能家居領域亦是由靜態感應式無線充電系統占據著主導地位，技術比較成熟，已經具有商業化的能力，但由于存在家電負載功率等級跨度大、拾取端位置與負載功率需求隨機性大、效率要求高等問題，因而在研究中對工作頻率、原邊諧振電流及負載輸出電壓的近似恒定、效率優化等方面還需進一步優化。

2.2 醫療電子設備領域

無線電能傳輸技術應用于植入醫療器械，醫療傳感器如膠囊內鏡等醫療電子設備領域，可有效解決患者利用手術更換電池蓄能的問題。

2003年，日本RF公司采用該技術研制出植入式內窺鏡生物遙測系統，以色列、韓國以及歐洲隨之相繼推出了相應的實物產品。2005年，日本的Masaya Watada與韓國的Y. Um提出了對人工心臟進行無線電能傳輸的設想。2008年，美國匹斯堡大學將無線電能傳輸技術應用于體內植入器件，并在空氣、人體頭模型及豬活體中進行實驗研究。2013年，香港城市大學針對視網膜假體的應用中線圈失調引起的弱磁鏈將嚴重影響功率效率的問題，提出了一種新型的高偏差容差接收機結構[18]。2017年，麻省理工學院科學家在已研制的采用外部來源進行無線充電的耳蝸植入物基礎上，提出采用中場耦合的新技術，與近場耦合相比，工作頻率與耦合效率獲得較大提升，并通過實驗成功利用位于豬體外的發射器將電力傳送到位于豬食道、胃和結腸內的三個接收器，傳輸的電力水平分別為37.5mW、123mW以及173mW。此外，馬來西亞大學提出了一種用于機器人膠囊內窺鏡的優化電感耦合WPT系統[19]。印度浦那NBN Sinhgad提出了一種基于磁諧振耦合的可穿戴起搏器無線供電系統[20]。清華大學提出了一種具有自動功率調節功能的植入式醫療設備的無線功率傳輸系統[21]。

無線充電技術在醫療電子設備領域研究初期均采用靜態感應耦合方式，要求發射器和接收器距離較近，適用皮膚下方的植入物充電，而不適用于消化道深處的小型電子產品。2014年，斯坦福大學研究院在美國《國家科學院學報》上發表了一種可以為植入人體內的醫療器械進行無線充電的新技 術[22]。該技術可為僅有米粒大小的醫療電子設備進行充電，且能夠更“深入”地植入人體內，長久地獲得電能輸送，甚至不需要電池儲能，只需將電源靠近皮膚就能給體內的設備供電，如圖5所示。2018年，Cambridge Consultants公司針對人體可植入設備充電提出了MagLense無線充電系統的概念，該系統具有形狀獨特的柔性線圈，能夠彎曲變形，適用于人體任意部位的植入設備。

綜上，目前無線電能傳輸技術在醫療電子設備領域，皮膚下方的植入物靜態感應方式無線充電比較成熟，消化道深處電子產品的靜態諧振方式無線充電還處在研究初期。該領域的研究難點在于不給生物組織造成損傷的安全功率范圍內，接收器尺寸微型化、電路結構集成化、材料生物兼容性等問題。

圖5 僅有米粒大小的醫療電子設備

2.3 交通運輸領域

近年來，以電能為動力來源的交通工具得到快速推廣，無線電能傳輸技術作為一種新興的電能傳輸方式，已成為國內外科研機構以及各大車企的研究熱點。其原理主要采用感應耦合式和磁耦合諧振式，兩種方式可在功率等級、系統損耗、傳輸距離等方面差異形成優勢互補。

2.3.1 電動車輛

電動車輛應用無線電能傳輸技術蓄能，在靈活性和安全性等方面優勢明顯，在一定程度上促進了電動車輛的發展。目前，對靜態無線充電與動態無線供電系統，研究人員在理論研究和技術應用等方面取得諸多進展，但距離成熟可產業化推廣的采用無線蓄能的電動車輛依舊面臨巨大挑戰。

1）電磁耦合系統

在靜態無線充電和動態無線供電系統中，電磁耦合系統是決定整體能量傳輸效率的重要部分，它包括補償網絡拓撲、耦合線圈和電磁屏蔽三部分。

補償網絡拓撲由電感和電容元件的串聯或并聯組成，用來調節電磁耦合系統收發端參數，使之與線圈電感發生諧振，從而減低無功、提高傳輸效率和改變傳輸特性等。串串、串并、并并和并串是目前已有文獻中研究較多的四種拓撲結構[23]，其中，串并/串諧振補償拓撲結構，在全負載范圍內具備接收端輸出恒壓特性[24]。一次側失諧的SS補償拓撲，具有較強的抗偏移能力且不存在輕載安全問題[25]。此外，在基本補償網絡基礎上衍生出一些具有更佳性能的補償網絡。LCL諧振補償網絡結構[26]，通過調節網絡參數可實現恒流充電模式與恒壓充電模式的自動切換，傳輸效率可達到92%[27]。在LCL拓撲網絡基礎上，衍生出了LCC拓撲，經證明，雙邊LCC拓撲網絡可解決雙邊LCL拓撲網絡傳輸功率偏小和直流磁化等問題，并在雙向電動汽車無線充電應用中具有較強的適用性[28-29]。文獻[30]中提出S/CLC補償拓撲可實現恒壓輸出、零輸入相位以及零電壓開關，并且最大輸出功率不受耦合參數限制。

耦合線圈是實現能量傳輸的核心元件，在靜態充電系統中，基于能效最優的耦合線圈材料、形狀、尺寸和匝數等參數優化是目前已有文獻中主要的研究方向。文獻[31]選取利茲線繞制方形耦合線圈，并采用了Z型串聯結構，在最優工作頻率為55kHz時，傳輸距離在8～15cm內，系統最高傳輸效率可達85%以上。文獻[32]則采用螺線管來繞制耦合線圈，并增加了耦合線圈的匝數，其系統在7kW的功率等級，傳輸距離16cm下，效率可達93.8%。此外，文獻[33-34]對DD型能量發射線圈，BBP、DDQ型能量接收線圈進行了研究。

與靜態充電相比，動態供電系統較為復雜，主要體現在發射線圈的結構與工作線圈的切換。集中供電導軌和分段供電導軌結構是目前發射端主要供電結構，前者根據磁心形狀線圈可繞成E型、U型、W型、I型、S型和dq型[35-36]，其中，E型、U型和W型是研究較早的三種結構，主要集中在傳輸參數的優化；dq型雙向供電導軌結構可有效解決受電體受電過程中的耦合系數為零的情形；I型和S型結構為雙極性磁心，能量耦合路徑沿受電體移動方向，提高了橫向偏移容忍度和傳輸效率，同時在建造難度和經濟成本方面具有優勢。分段供電導軌一般采用多線圈單元并行連接切換供電方式，可顯著降低系統損耗，但對檢測和控制系統的靈敏度、穩定性和可靠性具有很高要求。文獻[37]針對系統傳輸的穩定性，提出了利用基于磁場強度檢測的接收端定位策略（測量周期為6ms，分辨率為5mGs）的分段導軌結構，與單初級繞組系統相比，功率提升25%，效率提升7%。對于分段供電導軌的切換問題，文獻[38-39]從不同的方面進行研究，文獻[38]針對分段式動態無線充電系統的原邊線圈鏈供電管理的需求，提出了一種基于副邊主動激勵的具有分散控制邏輯的接力方法，在實驗中，當原邊直流電源供給功率約為50W時，系統傳輸效率為72%。文獻[39]則針對快速切換導軌時可能出現的過電流、過電壓等問題，提出一種基于能量自由振蕩模式的電動汽車無線供電導軌切換方法，實現了供電導軌的軟 切換。

電磁耦合系統中的電磁屏蔽主要是將電磁能量交換路徑束縛在耦合線圈間，從而最大限度地減小漏磁，提高傳輸效率。從屏蔽材料看，文獻[40]通過有限元計算和實驗驗證了耦合機構外加鐵氧體屏蔽后，傳能區域內的磁場被約束在發射耦合機構與接收耦合機構之間，提高了傳輸效率，其設計的帶有鐵氧體屏蔽結構的傳輸系統在傳輸距離為0.40m，軸向偏移0.3m，功率從200W增加到2 500W情況下，效率穩定在80%左右。文獻[41]提出了一種鐵磁性和非鐵磁性混合材料制成的屏蔽結構，其實驗傳輸系統在56kHz、傳輸距離6cm時，系統傳輸效率穩定在72%，僅裝有鋁板的系統效率只有2%。從屏蔽結構看，文獻[42]設計了一種拼接式的電磁屏蔽結構，如圖6所示，與整體平面型相比具有更佳的屏蔽能力且易制造和安裝，采用該結構的傳輸系統效率為90.94%，功率可達1 297.69W。文獻[43]提出在能量發射裝置水平側加屏蔽帶的屏蔽結構，該結構可有效降低電動汽車外部的電磁輻射，但整體結構因渦流效應產生的熱量對系統影響較大。從屏蔽方式來看，文獻[44]提出一種無耦合單線圈產生抵消磁場主動屏蔽的方式，其系統在傳輸距離15cm時，系統效率高于85%。文獻[45]同樣利用主動屏蔽的方式但創新性地提出了一種利用雙線圈和四個電容作為移相器的新型共振無功屏蔽，當采用雙線圈屏蔽時，與沒有屏蔽的情況相比，在地面以上0.15m處，總磁場大幅減小80%。此外，與單線圈屏蔽相比，雙線圈屏蔽在離地0.15m處的總磁場減少最多70.4%。在此基礎上，文獻[46]結合磁性材料的磁通路徑和抵消磁場主動屏蔽方式，提出一種組合方法來實現電磁屏蔽，實驗中在額定功率800W，無線線圈之間的間隙距離為30mm，無線功率傳輸效率為83%。

圖6 拼接式屏蔽結構

2）控制策略

系統魯棒控制策略研究是保證無線輸電系統可靠性、穩定性和高效性的必然要求。目前系統控制方法可分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制三種。原邊控制可實現控制原邊諧振電流簡化系統結構以及產生恒定交變磁場實現輸出功率魯棒控制等[47]。文獻[48-49]均對副邊控制策略展開研究，前者基于副邊DC-DC轉換器提出最大效率控制，提高了傳輸效率；后者基于副邊可控整流和滯后比較器實現了對輸出功率或最大效率的控制。雙邊控制可分為雙邊通信控制和雙邊無通信控制。文獻[50]將原副邊相結合，提出基于工作頻率調制和雙邊無線通信的閉環控制方法，實現對電池的無線充電。文獻[51]提出無需雙邊通信的功率和最大效率雙參數同步控制方法，通過DC-DC變換器調節副邊等效交流阻抗以及搜索原邊輸入功率最小值，實現最大效率控制和輸出恒功率控制。

對于動態無線電能傳輸的魯棒控制策略，采用PI控制算法，控制參數一般通過極點配置法選取，較為簡單且易于實現。但是目前文獻資料中的建模與控制研究通常忽略電動汽車動態無線供電實際應用的復雜環境中的多種不確定擾動因素，因此研究面向實際應用工況的系統動態響應特性以及多參數擾動下快速魯棒控制器極其重要。

3）技術應用

電動車輛靜態無線充電技術已相對成熟，并且寶馬、奧迪、豐田、吉利等各大汽車產商已經開始在電動車型上加載，見表2。此外，2019年11月，綠馳汽車宣布將在2020年推出搭載智能無線充電模塊的純電動SUV（內部代號：綠馳M500）[52]。

表2 無線充電應用車廠及車型

Tab.2 Wireless charging application vehicle factory and vehicle model

相比之下，電動車輛動態無線供電技術的成熟度較低，國內外均處于樣機研制和示范工程建設階段，距離市場化應用仍有很多關鍵問題需突破。2018年8月3日，國家電網有限公司重點科技項目“電動汽車路段移動式無線充電系統關鍵技術及設備研制”暨“電動汽車移動式無線充電實驗路段”順利通過驗收。實驗路段長度181m，移動式無線充電功率20kW，轉化率達到80%，磁場強度遠低于國際標準27mT，行駛速度可超過60km/h[53]。2018年10月18日，江蘇同里綜合能源服務中心建成，“三合一”電動汽車動態無線充電道路亮相。這條公路全長約500m，寬3.5m，它集路面光伏發電、動態無線充電、無人駕駛于一體，是目前世界上最長的動態無線充電道路，如圖7所示為電動車輛無線輸電的應用。

圖7 電動車輛無線輸電的應用

2.3.2 軌道交通

基于軌道交通運行主要以動態無線供電方式為主的特點，科研工作者從滿足安全性、可靠性、穩定性和高效性出發，對基礎理論和關鍵技術進行了深入研究，應用對象主要為輕軌機車和高速列車。

龐巴迪公司已經建立了輕軌機車的無線電能傳輸的實驗路段，全長共510m，原邊采用分段線圈供電，每段長8m[54]。文獻[55]提出了基于輕軌機車供電位置的頻率跟蹤方法，實驗結果表明，該方法能夠增加輸出電壓的穩定性。文獻[56]分析了全橋整流器對系統的影響，發現可通過消除其輸入阻抗提升系統效率。為了軌道機車制動形成的再生能量能夠被有效利用，文獻[57]提出了雙向無線能量傳輸系統方法，將制動能量回饋給電網。在國內，天津工業大學首次提出將無線電磁能傳輸技術應用在高鐵列車場景，并相繼提出可用于高鐵列車的非對稱耦合機構和高頻信號采集方案[58-59]；韓國鐵道技術研究院在150m實驗線路上對其研發的HEMU（high-speed electric multiple unit）進行測試并且試驗成功[60]；日本東京鐵道技術研究所將8字形耦合機構裝設在導軌與列車底盤，列車運行過程中獲得了穩定的傳輸功率[61]。

綜上，靜態無線充電和動態無線供電技術在交通運輸領域的應用是目前研究中的熱點，其中，受電體靜止下的無線充電較為成熟，并且部分技術已實現產品轉化。相比之下，在移動狀態下的動態受電研究由于系統的復雜性、應用環境的多變性以及實驗成本高等因素進展較為緩慢，目前還處于樣機和示范工程階段，距離可產業化推廣的成熟應用產品還存在很多需要突破的難點。從理論角度看，存在動態耦合系統優化、高速運動下供受電端之間的電動力、時空參數動態響應和不同功率等級下電磁兼容與生物安全性等問題。從技術角度看，存在系統互操作性與工作穩定性、電源響應快速性、環境異物檢測和位置自動對準等問題。從建設與運營維護角度看，行業標準缺失，前期建設成本高和設備檢修難度大等問題需要解決。

2.4 工業機器人

隨著工業制造強國戰略的提出，信息技術、新能源、新材料等技術的交叉融合取得了革命性突破。無線電能傳輸技術作為一種新型、高效和可靠的電能供給方式，在工業機器人領域得到廣泛關注，加快了我國實現智能制造的進程。

自主導引運輸車（Automated Guided Vehicle, AGV）、巡檢機器人、物流分揀機器人和服務機器人采用無線充電技術具有安全、靈活、持續供電的優勢，彌補了有線供電方式的諸多不足，其原理主要采用靜態感應耦合技術，研究方向主要集中于針對不同應用場景的機器人無線充電解決方案。文獻[62]通過信號采集與驅動控制，設計了自主尋源并在十幾秒內快速完成自主充電的機器人。針對物聯網中多傳感器供電問題，文獻[63]搭建移動機器人為傳感器電池充電的框架，與現有方法相比大大降低了維護成本和操作復雜性。對于組成系統的關鍵模塊與傳輸特性，文獻[64]提出了適合移動機器人充電的線圈結構和逆變電路，并解決了充電站與機器人之間資源優化配置問題。文獻[65]研究了巡檢機器人的電路拓撲、偏移、電磁干擾等問題，并在滿足最大輸出功率條件下，使系統傳輸效率達到84.2%，實現了能量的高效供應。文獻[66]解決了巡檢機器人頻繁充電、安全性低等缺陷。文獻[67]研究了尋軌機器人無線充電系統等效電路、補償網絡設計、軟開關設計等，并對電力電子器件的性能做了仿真與實驗研究。

綜上，目前工業機器人無線電能傳輸技術主要以靜態諧振式系統為主，并且在機器人靜態下的無線充電較為成熟，但機器人充電路徑快速識別、發射線圈的精確定位和不同應用負載的功率輸出控制等仍需要進一步研究。

2.5 物聯網

無線充電可解決幾十或幾百個物聯網設備遠距離供電問題，適用于智能家居、智能穿載裝置、智能車載系統、智能制造工廠、智能城市與醫院等應用場景，被稱作可為物聯網帶來革命性突破的關鍵技術。

從理論研究看，文獻[68]研究了物聯網傳感節點的無線供電，并設計了一種針對傳感器射頻的無線供電系統。在此基礎上，文獻[69]設計了一種通過射頻能量發射器為物聯網設備充電的系統，并采用回聲狀態網絡框架，結合改進的k-means聚類算法預測出下一時段的能量消耗，對傳感器節點進行聚類，自動確定充電策略，大大增強了功率控制的抗干擾能力，提高了整個網絡的能量效率。文獻[70]提出了一種帶有附加搜索技術的分枝次優效率算法，通過計算確定出基于無線射頻移動充電器的最優運動路徑，使無線充電效率達到最佳狀態。文獻[71]研究了在頻率和相位同步和非同步兩種狀態下的分布式無線功率傳輸系統的性能，發現只要在系統中形成最優的分流波束，分布式無線充電在覆蓋概率上就更具優勢，功率傳輸效率也會得到顯著地提高。從成果轉化看，美國科技公司Ossia開發出一款名為Cota的無線充電器，可為多臺設備供電并在數米范圍內實現控制[72]，如圖8所示。

圖8 Cota無線充電器

綜上，物聯環境中信息傳感設備需求功率等級一般較小，在無線電能傳輸系統中效率參數要求較低。因而，針對物聯網不同使用情境，縮小接收線圈尺寸與有效距離的比例、突破充電角度與方向限制、滿足眾多裝置同時充電需求是物聯環境設備無線充電中需要解決的突出問題。

2.6 水下探測設備

水下探測設備和水下機器人等水下設備的持續供電一直是軍用和民用領域研究的重要問題。目前廣泛采用有線供電或電池蓄能供電的方式，這兩種方式在靈活性、續航能力、自身體積和質量上具有不足。因此，無線電能傳輸技術在這種特殊環境下的應用具有不可代替的優勢。

文獻[73]最早對無線電能傳輸技術的水下應用展開研究，研制了自主式水下運載器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）電能供給系統，利用導航和對準系統對水下基站的能量接收裝置供電。文獻[74]提出一種水下大功率無線電能傳輸系統的設計方案，可實現kW級的無線供電功率，無線電能傳輸效率達94.5%，距離為20cm。文獻[75-77]為抑制水流沖擊對系統造成的影響，從不同方面對系統進行了優化。文獻[75]通過對比分析發現，SP補償拓撲具有更好的穩定性和較高的輸出功率。文獻 [76]則對水下電磁耦合器結構進行研究，提出一種參數優化方法，能夠有效提升系統效率和穩定性。文獻[77]提出了基于鎖相環控制的AUV非接觸式充電系統的頻率控制方法，使系統始終在諧振點工作。文獻[78-79]為解決水下環境對傳輸距離的限制，提出帶有中繼線圈的三線圈傳輸系統，并對系統的傳輸特性進行了分析。文獻[80]通過數學建模和數值計算，設計了一種能夠實現水下功率傳輸和數據傳輸的非接觸式裝置。文獻[81]基于超聲波共振方式的水下無線能量傳輸的原理、可行性進行了初步的分析探討，給出了實現的原理框圖及實現方式。文獻[82-83]對電場耦合式水下無線電能傳輸系統的耦合機構進行分析，得出水下耦合機構的等效電容值比在空氣環境中大，且增大工作頻率和接收端負載，可以減小耦合機構的損耗。文獻[84]對海水中電磁場的傳播問題進行討論分析。文獻[85]在此基礎上，推導了海水環境下的渦流損耗的近似公式并對傳輸系統進行損耗分析，結果表明，共振式無線電能傳輸系統在海水中也具有很大前景。

綜上，無線電能傳輸系統應用于水下環境具有不穩定性。能量的收發端由于水流影響，相對位置偏移和距離不斷改變，會導致系統能效下降；能量收發端通過高頻電磁場實現能量的交換，海水作為良導體會產生渦流，造成能量損失；深海高壓環境變化鐵氧體磁導率下降，影響系統傳輸參數。因此，綜合考慮海水介質、渦流和壓力等因素作用，通過多物理場耦合分析，研究適合于水下應用的穩定、高效無線電能傳輸方案極其重要。

2.7 航空航天領域

微波和激光無線電能傳輸方式是航空航天領域研究的重點內容。

2.7.1 無人機

無人機（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是一種通過無線電實時遙控或者自身事先存儲好的程序來控制的，具有攜帶多種功能設備執行各種任務的能力，并且能夠多次利用的無人駕駛航空器。憑借尺寸小、成本低、靈活性高、適應性強等獨特優勢，廣泛應用于民用和軍事領域。然而，由于儲能電池以及傳統供電方式的限制，具有長續航能力的無人機仍然是難點問題。科研工作者繼而采用無線電能傳輸技術在無人機能量補給方式上進行了研究。

根據已有文獻資料[86-90]，無人機無線供電技術的研究主要基于中等傳輸距離的磁耦合諧振傳輸機理，從傳輸模式[86]、傳輸特性[87-88]、耦合結構[89-90]等方面展開，研究無人機在靜止下[91]或懸停式[92]的無線充電方法如圖9所示。可見，目前的研究進展難以為在飛行狀態下的無人機進行遠距離實時無線供電，各國機構正在研究利用微波、激光無線電能傳輸技術實現這一目標。

圖9 無人機的無線充電

綜上，無人機的無線充電研究已經取得諸多成果，但實現無人機飛行狀態下的實時電能供給還需要進一步研究，其中，具有極大前景的研究集中于微波和激光無線電能傳輸方式。

2.7.2 太陽能衛星電站

無線電能傳輸技術在設計與開發宇宙飛船、導彈、航天站等航天航空領域具有巨大的應用前景，研究內容主要集中在微波無線傳能系統和激光無線傳能系統。

微波無線傳能技術主要應用于太陽能衛星電站，在太空把太陽能轉化成電能，再通過微波將電能送到地面的接收裝置，再將所接收的微波能束轉變成電能供人類使用。文獻[93]提出了整流天線串并聯組陣等效模型，得出了串聯陣與單元負載成倍數關系，并聯陣與單元負載成1/倍數關系的結論。文獻[94]研究了發射天線口徑的激勵電平分布，得出發射口徑的激勵電平為削尖分布時，可獲得大于95%的波束捕獲功率，比高斯10dB電平分布高2.7%。文獻[95]針對戰場電磁環境復雜度量化評估的問題，提出一種機載航空電子系統面臨電磁環境復雜度的量化評估方法，在考慮無法判定工作狀態區域上的數據處理中，與傳統的電磁環境復雜度評估方法相比，效果提升15.7%。2018年，我國首個空間太陽能電站實驗基地在璧山啟動，預計在2025年后可大規模執行相關工作[96]。2019年，美國國防承包商諾斯羅普-格魯曼公司表示會和美國空軍研究實驗開發一套帶有太陽電池板的衛星系統，用于太陽能衛星電站[97]。

激光無線輸電系統基于光電效應，以激光束為能量載體，對遠距離用電設備進行無線供電，可應用于空間站艙外應急、在軌維護系統、模塊/分布式航天器互連供電。文獻[98]針對分離模塊航天器系統特點和任務需求，設計了一種基于激光相控陣技術的多光束激光能量發射天線以及由其組成的激光無線能量系統方案。文獻[99]設計了基于光楔-曲面鏡-棱鏡組的線陣半導體激光束整形系統，整形后的激光光斑尺寸為9.9cm×9.6cm，能量均勻度為68.9%，系統能量傳輸效率為71.3%。文獻[100]選取正態分布對輻射的劑量率和單位輻射劑量造成的性能退化量進行描述，獲得了衛星光通信系統中半導體激光器的可靠度函數。文獻[101]討論了基于激光的電力傳輸系統的規劃、激光選擇和測試、激光危險分析和探測器選擇。

綜上，微波無線傳能和激光傳能方式還處于初級階段，前者在系統整體轉換效率、能量接收線圈自動跟蹤、電磁環境兼容和生物安全問題等方面是重點關注點；后者由于激光束在空間環境傳輸無大氣損耗和氣候、大氣湍流等影響，在航空航天領域的應用具有明顯優勢，研究重點包括激光光束控制技術和激光光伏電池結構設計等。

3 無線電能傳輸技術研究成果

無線電能技術在近10年處于迅速發展的階段，取得了大量的研究成果，促進了無線電能傳輸技術在不同領域的快速產業化。下面對各國近年來取得的成果進行概述。

3.1 已發表相關文獻資料

在Web of Science核心數據庫中以無線電能傳輸技術和功率傳輸為檢索詞，能看到近十幾年該領域發表的相關文獻總體呈增長趨勢，其中，2015年出現快速增長，并且在全球范圍內，我國發表的相關文獻最多，WPT相關文章在SCI中的收錄情況如圖10所示。

圖10 WPT相關文章在SCI中的收錄情況

選取2017～2019年發表的1 070篇文獻進一步分析。近三年，國內外在信息與能量同步傳輸、系統控制算法和耦合機構設計三方面發表的相關文獻所占比重分別達到了22.61%、21.16%和29.28%。基于實際應用場景研究成果總量有311篇，其中以傳感器、電子設備、電動汽車領域為主，如圖11所示。

在2017～2019年發表的無線電能傳輸技術相關的1 070篇論文中，共有15篇高被引論文（ESI高被引論文：近10年內發表的SCI論文且被引次數排在相應學科領域全球前1%以內）。其中，中國研究成果比較領先，達到了8篇。圖12為15篇論文所涉及研究內容分布情況，其中，信息與能量同步傳輸方向的論文數量達到了7篇。

對無線傳能領域進行檢索，共得到三組Research Front高頻詞組（ESI研究前沿（research front）：通過聚類分析測度高被引論文之間的共被引關系所形成的一組高被引論文，再對這組論文題目分析而得出的研究前沿），主題分別為信息與能量同步傳輸、大功率無線電能傳輸、醫療植入式設備的無線電能傳輸。

圖12 WPT相關的高被引論文相關情況

圖13為以2010～2014年周期內Top Paper的數量為基準，描繪的三個主題的發展趨勢。從圖中可知，信息與能量同步傳輸、大功率無線電能傳輸一直保持著良好的發展態勢，在近五年的成果是2010～2014年的2.63和1.76倍，而醫療植入式設備的無線電能傳輸相關成果較少。

圖13 研究前沿的發展情況

3.2 已申請相關專利

10余年來，國內外科研工作者基于科技成果轉化，面向具體應用領域，取得了諸多成果。本文依據國家專利局的專利檢索與服務系統的檢索數據，對2007～2019年國內外針對無線電能傳輸技術的專利成果進行了深入分析。

2007～2019年國內外無線輸電技術相關專利的申請量隨年度變化情況如圖14所示。由圖14可知，2007～2017年國內外無線電能傳輸技術相關專利申請總量隨年度逐年增長。尤其在2015～2017年期間，其申請量總量的數量最多，2018、2019年申請量出現明顯下滑。從各國專利申請量分布看，美國、中國、韓國、日本專利擁有量較多。

本文對近五年被引用專利數量較多的美國、韓國和中國進行了統計，如圖15所示。由圖15可知，美國、中國、韓國和日本被引用次數1～10次專利數量分別為602項、553項、190項和77項，只有美國有10項專利的被引用次數超過了50次。從結果看，無線電能傳輸領域的高被引專利數量總體較少，美國高被引專利在國內外處于領先地位。

2015～2019年申請專利總量在不同領域和研究內容的分布情況如圖16所示。由圖16可知，2015～2019年專利總量主要分布在交通和電子設備應用領域，占比分別為37.24%和27.79%；從研究內容看，主要集中在磁耦合機構、控制策略、電路拓撲、信息與能量傳輸四個方面，占比分別為31.67%，19.93%、17.83%和14.66%。

圖15 2015～2019年度專利被引用情況

圖16 2015～2019年申請專利總量在不同領域和研究內容的分布情況

對占據專利總量比例最大的交通領域在2015～2019年年度申請數量與各國分布情況進行分析，如圖17所示。由圖17可知，在交通領域國內外相關專利申請總量依然是美國、中國、韓國、日本占據前四位，但四國之間的數量差距不大。

圖17 2015～2019年度交通領域專利申請各國分布情況

綜上，2007～2017年無線電能傳輸技術相關研究成果國內外呈快速增長的趨勢，2018年至今有小幅下滑；美國、中國、韓國和日本的相關成果在國際上處于領先地位。從檢索到的文獻資料和專利看，近三年，國內外學者的研究內容主要集中于信息與能量同步傳輸、系統控制算法和耦合機構設計三方面，其中，信息與能量同步傳輸的發展態勢良好。

4 無線電能傳輸技術發展中的相關問題

無線電能傳輸技術可應用領域廣泛，從小功率到大功率、從低頻到高頻、從靜態到動態均取得了可產業化的相關成果。為進一步促進無線供電相關產業快速發展，應面向實際應用領域，加快解決無線充電技術中的關鍵共性問題，面向無線充電產業鏈條，加快突破制約產業發展的卡脖子問題。

4.1 無線電能傳輸技術在各領域應用中的關鍵共性問題

4.1.1 多目標參數組合最優化

無線電能傳輸系統的關鍵參數包括品質因數、耦合系數、發射阻抗和電源頻率等時變參數，文獻[102-105]研究了傳輸參數組合之間的影響關系，但均是定性分析。在無線電能傳輸系統的整體設計中，為使能效最大化，各參數對能效的解析關系以及參數間定量關系，是無線電能技術理論研究中的重要方面。

4.1.2 電磁能量傳輸魯棒性

在靜態無線充電系統中，耦合機構間隙中攝入金屬異物（含導磁性金屬），或者貓狗等活物侵 入[106-110]。在動態無線供電系統中，電磁耦合結構振動和受電線圈橫向偏移在實際應用中不可避免，并且在不同環境條件下，對系統影響的劇烈程度不同，輕微影響會造成受電體受電品質下降，嚴重情況下會造成受電體功率器件損壞停止工作。因而研究抗外界擾動的磁耦合系統拓撲結構以及高魯棒性控制方法，保證受電體穩定與可靠受電，是動態無線電能傳輸實現產業化的基本要求。

4.1.3 多發射源多負載技術

面向不同應用場景下負載的供電需求，電磁耦合系統結構存在一對一、一對多和多對多三種形 式[111-114]。因而在復雜環境中，多負載和多發射源各自之間的協同管理、負載自動充放電以及負載間相互影響是無線電能傳輸技術應用中需要解決的問題。

4.1.4 電磁環境生物安全性

電磁環境生物安全性一直是無線電能傳輸技術產業化應用中的重要問題。

2000年，美國噴氣推進實驗室首先提出了太陽能發電衛星無線電能傳輸的安全問題[115]，人和其他生命體若長期處在超過安全限值的電磁環境中，生體機能會被損壞。日本名古屋工業大學的研究團隊基于MIT的無線電能傳輸系統模型，對電磁安全性進行了三個層次的研究[116-121]。文獻[116]基于2/3肌肉組織等效圓柱模型分析了系統參數，得出開型線圈的系統相比于閉型線圈的系統受人體影響更大。文獻[117-118]用準靜態法近似系統的電場分布，通過計算人體組織等效模型位于該近似電場中固定點的比吸收率（Specific Absorption Ratio, SAR）值，分析系統的安全性。文獻[119-122]采用準靜態法分別近似估計系統電場和磁場的分布，通過計算基于幾種不同的人體等效模型的SAR值，研究系統的電磁安全性。瑞士聯邦理工學院電磁與聲學實驗中心及美國華盛頓大學針對線圈直徑580mm、頻率范圍1～20MHz的無線電能傳輸系統[123]和線圈直徑范圍20～150mm、系統功率5W、頻率100kHz的小尺寸無線電能傳輸系統[124]的電磁環境進行了全面研究。

關于電磁安全性，國內研究較少[125-126]，針對不同應用場景下的高強磁場對周圍生物體的影響，尤其對人體的危害程度仍需進一步研究。

4.1.5 相關產品標準化

產品標準化是制約無線電能傳輸技術在不同應用場景下相關產品大范圍推廣的關鍵因素，目前已形成Qi標準、PMA標準和A4WP[127]標準三大技術標準。

2015年6月，PMA與A4WP兩大陣營正式合并為AirFuel無線充電聯盟，將相互兼容對方的無線充電技術標準，加速了無線充電在全球應用的普及。2016年5月31日，美國汽車工程師協會（Society of Automotive Engineers, SAE）發布無線充電指南SAETIRJ2954，被視為電動車的無線充電標準[128]。2018年12月29日，中國通信工業協會團體標準《移動終端無線充電裝置》正式發布[129]，對18kg及以下的無線充電裝置的安全性、電磁兼容性、環境適應性和性能的相關要求和檢測方法進行了規定。

針對不同應用場景的無線電能傳輸相關標準國內外高度重視。國外從小功率電子設備到大功率交通運輸均出臺了相關標準，我國針對不同應用場景的標準制定則比較緩慢，為了使我國基于無線電能傳輸技術的相關產品在產業化進程中擺脫國外的制約，必須加快標準的制定。

4.2 無線電能傳輸技術產業化發展現狀分析

隨著無線電能傳輸技術在各領域的快速滲透，無線電能傳輸產業鏈條上的各部分組部件廠商以及與之相關技術性公司發展迅速。中國產業信息研究網發布的《2017—2022年中國無線充電行業市場深度分析與投資前景預測研究報告》數據顯示[130]，無線充電市場2022年將達到140億美元，滲透率提升到60%以上。從電動汽車應用領域看，根據國外研究機構Research and Markets預測，由于電動汽車和插電式混合動力汽車不斷增長的需求帶動以及無線充電系統制造商研發力度加大，電動汽車充電市場規模整體增長，預計至2025年，電動車無線充電市場規模預計達4.07億美元，2020～2025年期間的年復合增長率將到117.56%。

面向無線充電全產業鏈上的系統方案設計、芯片和磁性材料組部件、制造工藝等重要組成部分，美國、日本等國家對中國形成的技術壁壘依舊很強，圖18為無線充電全產業鏈結構。基于此，我國面向無線電能傳輸技術全產業鏈條，亟需加強研發具有高技術參數、更高可靠性、更高安全運維的自主知識產權相關成果，推進我國無線充電產業在國內外從“跟跑、并跑到領跑”的轉變，確保我國無線充電產業持續健康發展。

5 結論

本文首先對無線電能傳輸技術的原理和分類做了簡要敘述，重點介紹了該技術在電子設備、醫療器件、智能家居、交通運輸、工業制造等領域的應用水平、研究進展及其關鍵問題；其次對該技術的研究成果和相關專利進行了數據分析；最后總結了無線電能傳輸技術應用中出現的傳輸參數組合最優化、電磁能量傳輸魯棒性、多發射源多負載技術、電磁環境生物安全性、相關產品標準化五大共性問題，并分析了無線電能傳輸技術產業化發展現狀。

圖18 無線充電全產業鏈結構

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Liu Yunzhu. Group standard “mobile terminal wire- less charging device” released[J]. Safety & EMC, 2019(1): 12.

[130] 智研咨詢集團. 2017—2022年中國無線充電行業市場深度調研及投資前景分析報告[EB/OL].[2019-12-23]. http://www.chyxx.com/research/201611/463481.html.

Application Status and Key Issues of Wireless Power Transmission Technology

1,211222

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China）

Since the MIT research team published its research results on wireless power transmission technology in 2007, extensive and in-depth studies on scientific issues and key technologies have been conducted at home and abroad. With the breakthrough of difficult problems, the fields radiated by wireless transmission as a new mode of power transmission are increasing. In this paper, the classification and composition of wireless power transmission technology are introduced briefly. Secondly, focusing on the application in eight major fields, including household electronic equipment, smart home, medical device, industrial robot, internet of things, underwater acoustic equipment, transportation and aerospace for more than 10 years at home and abroad, the application level of this technology and the key problems existing in different fields are emphatically expounded. Thirdly, the research results of this technology at home and abroad are compared and analyzed from the literature and patent. Finally, the paper summarizes the key common issues in the practical application in various fields and analyzes the current situation of the industrialization of wireless power transmission technology.

Wireless power transmission, static wireless charging, dynamic wireless power supply, key problems, application status

TM724

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200059

國家重點研發計劃項目（2018YFB0106300）、國家自然科學基金項目（52077153）和天津市自然科學基金項目（18JCQNJC70500）資助。

2020-01-12

2020-07-03

薛 明 男，1987年生，博士，研究方向為無線電能傳輸技術。E-mail: xueming@tiangong.edu.cn（通信作者）

楊慶新 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為工程電磁場與磁技術。E-mail: qxyang@tjut.edu.cn

（編輯 崔文靜）