磁耦合無線電能傳輸系統研究與前景展望

文/楊若冰 王琳

1 國內外無線電能傳輸技術研究現狀

1.1 國外研究現狀

從最近幾年國外的很多探究理論與實踐結果來看，重點的研究項目是不接觸式功效傳送，其核心是在一些較近距離的傳送方面上。在發展歷史中，美國研究者將一條兩米長的線圈當作成實驗器材，成功的運用到了“電磁共振原理”并點亮了一個工作功率為60W電燈泡，其后他們又提到一個能同時給很多用電器供電的方案。與傳統的供電方式與其相比，其方案傳輸效率有了一定程度的提高。2012年9月，諾基亞與微軟一同研發并推出了一款移動手機，它的奇特之處在于可以使用無線充電。

1.2 國內研究現狀

與外國無線電能傳送科技相比，國內對其探究的起點比較低，然而也獲得了很是優異的科研成果。

國內研究的方向主要集中于感應式非接觸無線電能的傳輸技術與磁耦諧振式無線電能的傳輸技術，此研究工作是由中國科學院電工研究所最開始展開探究的，2003年，重慶大學樊華、鄭小林、皮喜田、彭承琳等展開了對能夠應用在體內治療裝置上的無線電能傳輸技術的探索，這意味著無線電能傳送科技在醫療儀器上的應用的一次較早探索。而東南大學在2006年間提出了相應的電廠耦合的光電機技術。到了2011年11月份在天津展開了中國首次“無線電能傳送技術”的專題會議，同時在會議上達成了“天津共識”，此次會議對推動國內無線電能傳輸技術的研究與應用有著非同一般的意義。

2 磁耦合式無線電能傳輸技術研究

所謂無線電能的傳輸，有可稱之為WPT技術，是依據能量在傳輸的過程之中，繼能量存在形式多樣性，在不采用導線進行連接的狀態下通過電場等進行傳到的一項新技術。無線電能的傳輸有安全、便攜、環保、高效等特征。目前為止此項技術的探究重點包含：電（場）耦合式、磁（場）耦合式、機械波耦合方式（超聲）以及電磁輻射方式（如太陽輻射）。其中最受專家們重視的為磁耦合電能傳輸技術，簡稱ICPT。ICPT技術是一項以電磁感應為技術原理的無線電能傳輸技術，此項技術主要采用了現代電子能量轉換技術以及磁耦合技術，依附現代控制論以及微電子管控技能達到電能無線傳送的目的。

2.1 磁耦合傳輸技術探究

2.1.1 磁耦合傳輸技術原理

磁耦合諧振式無限電能傳輸的基本工作原理：從其基礎構造上看，它的重心構成部分即為兩個線圈，每一個線圈都互為一個獨立的系統，發射設施在左半部分，能源端與之相連，發射裝置以電磁波的形式射出線圈。但是電磁波不能被發射出發射裝置自身以外，其可以完成高效率能量的傳輸。

在能量傳輸中，存在著一個關于穩定性和可控性的提高問題，針對該問題的解決，可采取替換的模式。簡單來講即是運用較小的補償電容和諧振線圈相應的等效電容進行替換。進行替換之后，即便是線圈在自諧振的頻率上相對有所下降，但在系統的穩定性及可控性環節，卻得到了大幅度的提高。

2.1.2 傳輸的水平

磁耦合式無線電能的傳送技術作為一種中等距離的傳輸電能模式，許多的研究人員都對其展開了較為深入的探究，針對技術傳輸的水平探究重點展現在傳輸的效率與傳輸的距離上面，和系統的共振頻率息息相關。通常的諧振頻率一般選取13.56MHz的頻率，需求相對高的系統需采用相對高端的頻率段。

2.1.3 傳輸的特征

磁耦合式無線電能的傳輸系統在進行傳輸的過程中主要體現出以下特點：

（1）調頻技術與頻率分裂，頻率分裂即為在整個的系統進行線圈傳輸的構造中，伴隨著傳輸的距離減少，其傳輸速率會產生不同的值域。

（2）在傳輸的構造中加進中繼諧振線圈以及接收終端的線圈。在所使用的設施中結合多個中繼諧振線圈以及接收線圈，分別對傳輸的系統開展研究與分析，能夠充分的顯示系統未燒到弱導磁性的影響。

（3）磁耦合式無線電能的傳輸系統只能在特定的水平角度的移動之下才可以達到較高速度的無線電能傳送。

2.1.4 新材料應用

無線電能的傳輸最主要的即是達到傳送的高速率、傳輸距離較長、傳輸的功率較大，但因為多種因素的限制，尚無法達到此目標。在磁耦合式無線電能的傳輸系統之中是運用附近的外界能量展開傳輸的，重點耗損分為輻射損耗與歐姆損耗。此狀況下，提升速率首先需要降低歐姆耗損，運用超導的材料方可達到這一目的。

2.2 電磁感應式耦合電能傳輸

2.2.1 傳輸原理

感應耦合式無線輸電系統是當今的一種全新電能傳送方法，其組成原理分為三個方面組成：

（1）當代電力電子能量轉變技術；

（2）電磁效應耦合原理；

（3）控制理論。

感應耦合式無線輸送電系統的三個主要構造部分分別是發送端，接收端和無接觸能量變壓器，與傳統電能傳輸系統相比，該系統多了兩個變換器，分別是初級和次級。在沒有任意物理方法鏈接的情況之下，這種傳輸方式能夠將能量傳送體現在了供電設備和用電線路上。

2.2.2 具體傳輸方式

能量輸送端的三個重要構成成分分別是高頻逆變裝置、整流濾波電路和控制電路。發送端將產生的交流電能量先通過無接觸變壓器充當中間能量轉變裝置去傳送到能量接收器上面。能量輸出端與次級變壓器相連，控制電路和輸出整流濾波作為負載來供給工作中所消耗的能量，并且移動裝置能夠按照實際需要來靈活地調節。當系統在使用的時候，輸出端就會發射出逆變裝置在正常工作時所需要的交流電；在通過整流處理與濾波之后，交流電在經過逆變裝置的成功轉換后，將會成為高頻的交流電，無接觸變壓器初級繞組再進行接收；在經過次級端口和變壓器感應耦合的共同作用下，高頻電流就會形成，裝置所收到的能量可以讓負載去按照裝置正常工作時的實際需要去調整，負載的需求滿足之后這個循環會停止。電磁感應耦合是系統能量傳遞借助的主要方式。

從分類的角度來看，該系統隸屬于疏松耦合系統。該系統在正常工作使用過程中，如何提高它的傳輸效率就成為了一個重要的問題，一般來講低頻變換器是由高頻變換器來替代的。該系統的核心構成部分是可分離變壓器，該系統的穩定性和高效性都是由它的性能來決定的。雖然無接觸傳輸電能系統的結構比較簡單，但是它的技術卻非常值得信賴，還具備制作成本低廉的優點，它的缺點是效率低、傳輸距離較短，所以它適用于便攜的小型電子設備。

3 無線電能傳輸技術的應用前景展望

磁耦合式無線電能的傳送技術在近些年的發展過程中中已獲取了相對較為成功的鮮果，但在個別環節的探究尚還膚淺。

（1）針對磁耦合式無線電能的傳送技術還未形成一個完善的設計手段；并且系統參數尚未展開科學有效的探析與校正；

（2）針對系統在應用過程和實際相聯系的環節尚未完美解決；

（3）此技術還需要運用高強度磁場，但迄今為止尚未在如何降低磁場的危害上形成共識。

同時電磁耦合式傳輸方式在易攜帶家用電器方面應用比較廣泛，同時人體內植入元器件和電動汽車等無線供電的領域逐步應用。隨著人們對于電能使用的便攜性、多樣性等要求的不斷提高和科研方面的更進一步深入，無線電能傳輸技術的發展涌現出了很多新特點，所以這項技術將會應用于更多的領悟，比如在航空航天、照明、太陽能電站等方面。

4 結論

隨著無線電能傳輸技術的不斷提高與發展，未來的人們在日常生活中使用的電腦設備、照相機以及手機等將逐步會擺脫電源線的束縛，移動電源線將會消失在我們的世界里，人們將再也不會為忘記帶電源線而無法充電的問題煩惱。以后在大型的公共場合中也會安裝無線充電設備，人們將不會為充電問題產生心理負擔，無線電能傳輸將擁有著更為廣闊的應用前景。然而在無線傳輸中，不管是哪種方式都需要去破解一些關鍵性的問題，譬如說電磁波是否會影響到人們的身體健康等。就目前該項技術的研究情況來講，種種問題均還處于一個繼續探索階段，因此還需要更近一步進行研究。

參考文獻

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