電磁輻射式無線電能傳輸技術的研究綜述

蘇蒙，潘侃，李杰

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，簡稱WPT）技術是通過發射器將電能轉換為其他形式的中繼能量（如電磁場能、激光、微波及機械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過接收器將中繼能量轉換為電能，實現電能的無線傳輸[1]。根據中繼能量的類型可將當前主流的WPT技術分為磁場耦合式、電場耦合式和電磁輻射式三個大類[2-3]。其中磁場耦合式又可以分為電磁感應式無線電能傳輸(Inductively Power Transmission，簡稱IPT)技術和磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Resonance Power Transmission，簡稱MRPT）技術，這兩項技術都利用的是電磁感應原理進行電能傳輸，在傳輸距離方面MRPT是優于IPT的，但是也僅僅只是達到了數米的距離。電場耦合無線電能傳輸技術（Capacitive Power Transmission，簡稱CPT）以交變電場作為能量無線傳遞的載體，通常以原邊和副邊的多個板狀電極構成的多個耦合電容作為能量傳輸路徑。CPT技術的優點在于耦合機構簡單、成本低、空載損耗低以及對周圍的金屬異物不敏感等，在特定的條件下甚至能夠實現穿過金屬的無線電能傳輸。但是，CPT技術也有其局限性，例如電壓應力高、傳輸距離短等。相比較于IPT、MRPT、CPT等技術，電磁輻射式無線電能傳輸技術在遠距離的傳輸功率和傳輸效率上有明顯優勢[4]。

1 電磁輻射式無線電能傳輸技術

當前，電磁輻射式無線電能傳輸技術主要有微波無線電能傳輸（Microwave Power Transmission，簡稱MWPT)技術和激光無線電能傳輸技術（Laser Power Transmission，簡稱LPT）兩類技術。

1.1 MWPT技術

MWPT技術利用電磁波中的微波來隔空進行能量傳輸，MWPT技術示意圖如圖1所示。微波功率源將直流電轉換為微波之后，由發射天線將其發送到自由空間，傳輸一段距離之后，由接收天線將其接收并通過整流電路還原為直流電能，進行后續的輸出。MWPT通過自由空間將電能直接從發射端天線傳送到接收端天線，傳輸過程中損耗相對較小，僅會在遮擋物、大氣浮塵等環境作用下產生少量損耗，傳輸效率較高；同時微波波束的方向和強度更易于控制，功率密度也符合國際安全標準，非常適合中遠距離的電能傳輸[5]。

圖1 MWPT技術示意圖

1.2 LPT技術

LPT技術依托激光作為能量傳輸載體，可以在中遠距離下進行無線能量傳輸，LPT技術示意圖如圖2所示。LPT技術的原理是電源為激光器供電，激光器將電能轉換成激光并由光學系統準直并發射，通過瞄準與追蹤系統獲取目標位置并進行實時跟蹤，控制發射機將激光束照射到光伏陣列上，再由光伏變換器將激光光能轉換成電能，驅動目標動力裝置及電子設備或對目標上的儲能裝置充電。LPT系統具有收發口徑小、靈活性高、能量密度高、方向性好以及無EMI干擾等優勢，但是，受跟瞄精度和大氣環境等因素的影響，系統整體效率不高[6]。

圖2 LPT技術示意圖

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

上世紀60年代開始，國外的科學家就已經開始研究MWPT相關技術。1964年雷神公司斯賓塞實驗室就通過MWPT技術實現200 W的直流傳輸功率，并最終驅動2.38 kg的直升機飛行了10小時。之后，該公司在此基礎上不斷研究，1975年實現了傳輸距離1.7 m、直流輸出功率495 W、傳輸效率54%左右的MWPT實驗。同年，美國噴氣推進實驗室在莫哈韋沙漠的金石試驗場，通過26 m口徑的拋物反射面天線實現了傳輸距離1.54 km，直流輸出功率30k W的MWPT實驗。日本、加拿大等國家也在WPT上進行過很多研究。在2015年，日本企業三菱重工公司通過眾多相控陣列天線進行微波無線電能傳輸實驗，第一次利用微波能對1.8 kW的電能進行無線傳輸，傳輸距離為55 m，而幾天后又將電量提升至10 kW，并成功的將約500 m外的接收裝置上安裝的LED燈點亮[7-9]。

相比較與MWPT技術，科學家對LPT的研究要晚一些。雖然，LPT技術早在1965年就被提出來，但是受限于關鍵器件的發展，LPT技術的研究進度較慢。直到21世紀，隨著高功率激光器等技術的出現，LPT技術的技術研究才取得了巨大進步[10-11]。

表1 21世紀國外LPT技術關鍵發展歷程

2.2 國內研究現狀

我國對WMPT技術的研究起步較晚。1994年，電子科技大學林為干院士首次介紹了MWPT技術，從此國內各高校及科研機構的科研人員開始了對無線電能傳輸技術的深入研究。1999年，上海大學開展了一系列的相關研究，在高效整流天線陣列、微波發射裝置的優化等方面的實驗研究取得了明顯的成果。2009年，四川大學科研組完成了國內首個遠距離MWPT實驗。該科研組使用的是5.8 GHz的微波，實現了200 m的遠距離無線電能傳輸。2018年，電子科技大學設計了三級功率放大器系統，保障了在輸出功率大于30 W的時候，傳輸效率為30 %[12-13]。2021年1月29日，小米公司公布自己的隔空充電技術，實現了對智能手機的遠距離無線充電，該技術實現了同時對多個設備進行無線充電。

相比國外的科學研究，國內對于LPT技術的研究較少，而且大部分還處于理論研究和初期實驗階段。2014年北京理工大學基于優化的GaAs光伏電池搭建了傳輸距離為100 m的LPT系統，實現了9.7 W的傳輸功率，整個系統的傳輸效率大概為40 %。2018年，武漢大學成功實現了200 m范圍內使用LPT技術為無人機供能，整個系統的傳輸效率大概為12%。2019年，山東航天電子技術研究所通過自行設計的無人機激光無線電能傳輸捕獲瞄準跟蹤系統，實現在300-500 m范圍內精準跟蹤無人機，并保持400 W的傳輸功率。

3 技術特性及未來展望

當前各項無線輸電技術在各個應用領域的應用情況如表2所示。

表2 不同無線輸電技術的應用領域對比

可以看出，IPT和MRPT技術無論是在技術成熟度還是應用領域的廣泛程度上都是要優于MWPT和LPT的。這一方面是得益于IPT和MRPT技術發展較早，相關的研究投入較多；另一方面是得益于IPT和MRPT在技術實現難度低以及配套的硬件設備較為成熟（相比較于MWPT和LPT技術）。但是，目前IPT和MRPT技術主要還是應用在一些近距離的充電場景中（IPT主要是接觸式的無線電能傳輸，MRPT的最遠應用距離也不超過10m），這是因為IPT和MRPT技術的傳輸功率會隨著距離的增加發生指數級的衰減，一旦超過一定的距離，充電的功率就會急劇衰減至接近于0。雖然MWPT和LPT技術也存在隨著距離增加功率衰減的問題，但是，MWPT和LPT僅僅只是對數級別的衰減，在遠距離無線電能傳輸上還是有明顯優勢的[14-17]。

表3對比了IPT、MRPT、MWPT、LPT等技術在空氣中的主要特性區別。包含以下幾項：傳輸效率，傳輸距離，Rtr——傳輸距離及接收器直徑（即接收器大小）之比，傳輸最高功率及是否具有潛在危害性[18-22]。

表3 在空氣中不同無線輸電技術的對比

目前，在遠距離無線電能傳輸方面，主流的研究方向還是MWPT和LPT技術。MWPT技術中，微波和電能的相互轉換效率尤其重要，微波發射端的定向發射能力和接收端的整流效率是提高整個系統能量轉換效率的關鍵，目前微波發射裝置的天線陣列定向輻射差，接收端整流裝置中的二極管存在能量損失等問題都亟待解決。在LPT技術中同樣存在能量轉化效率低的問題，LPT系統中激光發射器的功率、接收端光伏陣列的光-電轉換效率是當前制約LPT技術發展的最大障礙。對于大功率、遠距離傳送電能的微波或激光輸電來說，傳輸效率是其必須要考慮的重要因素，但是目前由于受到設備、技術以及資金等各方面的限制，傳輸效率仍然很低。巨大的能量損耗及浪費無疑與傳輸電能的初衷背道而馳，因此設法提高大功率無線輸電傳輸效率是很有前景的一個研究課題，其對于電力行業的發展以及改善目前全球面臨的資源短缺問題都有十分重要的意義。