王敏星 李大偉

摘要：目前無(wú)線電能能夠傳輸技術(shù)成為一個(gè)新興的研究方向。首先介紹了目前幾種主流的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，針對(duì)比較有前景的的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸和借助磁材料的無(wú)線電能傳輸方式，從目前研究的幾個(gè)重要方向分別就其研究問(wèn)題、研究?jī)?nèi)容和研究趨勢(shì)進(jìn)行淺析，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；非接觸；磁耦合；共振

作者簡(jiǎn)介：王敏星（1964-），男，河南濟(jì)源人，河南省濟(jì)源市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，工程師；李大偉（1987-），男，河南濟(jì)源人，河南省電力公司濟(jì)源供電公司。（河南 濟(jì)源 459000）

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0263-03

無(wú)線電能傳輸技術(shù)（WPT，Wireless Power transfer）能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)導(dǎo)線連接情況下的電能傳遞，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用、礦井采掘、移動(dòng)設(shè)備充電等特殊場(chǎng)合具有較大的應(yīng)用前景。隨著移動(dòng)通信設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)汽車等技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)發(fā)展非常迅速，并且取得了較大的進(jìn)展。伴隨著研究和市場(chǎng)化的不斷深入，作為一種前景廣闊的電能傳輸方式，在電磁兼容、人體健康和傳輸效率等方面都產(chǎn)生新的研究問(wèn)題，需要進(jìn)一步明晰研究方向并針對(duì)存在的問(wèn)題深入研究。

一、無(wú)線電能傳輸技術(shù)的方式

雖然采用超聲波和其他機(jī)械波能夠無(wú)線傳輸能量，但目前無(wú)線電能傳輸?shù)闹髁鞣绞饺允抢秒姶艌?chǎng)傳輸能量。從頻率的角度來(lái)說(shuō)，采用的頻率包括從若干GHz跨越到若干kHz的廣大范圍。在較高頻率段，利用微波傳輸能量（甚高頻以上的頻率范圍，頻率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通過(guò)控制發(fā)射天線的朝向使能量以電磁波的形式準(zhǔn)確發(fā)射到接收天線。該方法傳輸方向性較強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)，但易被障礙物遮擋，還需要較復(fù)雜的天線對(duì)準(zhǔn)裝置。而且高頻電磁波的生物安全性較差，高功率的電磁波對(duì)人體有較大傷害，因此在民用領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)會(huì)較少。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁場(chǎng)頻率在10MHz以下，通過(guò)電諧振體之間的耦合磁場(chǎng)來(lái)傳輸電能。這種方法可以在一定的距離（幾厘米到幾米）范圍內(nèi)傳送能量，功率值可以達(dá)到幾百瓦。而感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁場(chǎng)的耦合程度，可以傳送較大的功率，效率較高。但由于磁材料的限制，工作頻率不宜過(guò)高，通常在1MHz以下。在距離增大時(shí)，磁材料之間的氣隙增加，耦合程度急劇降低，因此傳輸距離相對(duì)較近（常常在幾毫米到幾十厘米）。在民用和工業(yè)應(yīng)用中，磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（MCRWPT）和感應(yīng)耦合式（MIWPT）的傳輸距離基本滿足常用設(shè)備的充電距離要求，從理論上能夠獲得更大的功率和更高的效率，因此具有較大前景，是目前研究的熱點(diǎn)。本文從幾個(gè)方面介紹此兩項(xiàng)技術(shù)的研究與發(fā)展。

二、研究?jī)?nèi)容和研究方向

1.基本理論和技術(shù)研究

率及效率的模型研究：目前對(duì)無(wú)線電能傳輸方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]電磁場(chǎng)分析方法、[3，4]等效電路法[5]等。

耦合模方法可見(jiàn)文獻(xiàn)[1]所采用的基本方程表達(dá)式：

（1）

其中：為代表諧振體中的能量；為激勵(lì)角頻率；為自損耗系數(shù)；為諧振體m和n之間的耦合系數(shù)；為代表外加驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)項(xiàng)。

其基本思想是，給出系統(tǒng)的源、損耗及特征量，通過(guò)求解器損耗與特征量的關(guān)系，即求得系統(tǒng)效率及傳輸功率的解。電磁場(chǎng)方法根據(jù)電磁場(chǎng)理論求解電磁場(chǎng)方程，以此求得傳輸效率等結(jié)果。而等效電路方法主要針對(duì)磁耦合的特點(diǎn)，利用電路理論求解電路方程，以此獲得系統(tǒng)的結(jié)果。

幾種建模方法各有優(yōu)劣：耦合模方法可以從能量角度進(jìn)行分析，但是不夠直觀；電磁場(chǎng)分析方法理論上可以計(jì)算非常詳盡的電磁場(chǎng)分布[3]，理論上可以計(jì)算出耦合磁場(chǎng)能量傳輸細(xì)節(jié)。但過(guò)于復(fù)雜性，不便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。通常借助電磁場(chǎng)仿真軟件以求得分部場(chǎng)的直觀數(shù)值解。等效電路法應(yīng)用直觀，是目前采用較多的方法，但是由于對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行了低頻簡(jiǎn)化，對(duì)高頻條件下電磁特性描述較粗略，不利于有關(guān)電磁場(chǎng)方面的研究。理論未來(lái)的研究方向?qū)⒔⒏訙?zhǔn)確和合理的分析模型，甚至提出更加新穎的傳輸模式，從理論高度提高系統(tǒng)的指標(biāo)，并以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造無(wú)線電能傳輸裝置。

第二，線圈結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。根據(jù)電路互感模型的一般結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

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（2）

諧振條件下傳輸效率：

線圈2在線圈1中產(chǎn)生的反映阻抗為，可見(jiàn)反映阻抗中負(fù)載側(cè)電阻值位于分母中，對(duì)于源側(cè)的影響變?yōu)樨?fù)向變化。即負(fù)載側(cè)電阻值越高，傳輸效率越小。實(shí)際電路中，通常源內(nèi)阻和負(fù)載線圈側(cè)的電阻RB2往往較大。因此，雙線圈結(jié)構(gòu)傳輸效率往往較低。但根據(jù)上述分析，通過(guò)改變系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)和數(shù)量，可以改變不同線圈中的反映阻抗，進(jìn)而改變耦合系統(tǒng)的效率、傳輸功率和傳輸效率。因此出現(xiàn)了三線圈[5]、四線圈[1]和多線圈[6]等情況。

第三，參數(shù)匹配方法及參數(shù)設(shè)計(jì)。在確定整體結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，還需要計(jì)算和均衡線圈的各項(xiàng)參數(shù)。線圈按照諧振的形式主要有自諧振線圈和電容-線圈諧振線圈。按照線圈的纏繞方式可分為密繞線圈、平面線圈、螺旋線圈等。電路參數(shù)主要有電感值、電容值和電阻值等。對(duì)于高頻線圈還存在著寄生電容等高頻參數(shù)。在分析和設(shè)計(jì)中，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)增加耦合程度、減少內(nèi)阻和提高品質(zhì)因數(shù)以提高系統(tǒng)性能。目前的研究主要集中在線圈結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)等方面，[7]針對(duì)線圈的新構(gòu)形和新材料的研究也是一個(gè)重要的研究方向。

2.無(wú)線電能傳輸?shù)募?lì)源

激勵(lì)源是無(wú)線電能傳輸?shù)暮诵脑?。相?duì)于普通的高頻信號(hào)源和開(kāi)關(guān)電源，激勵(lì)源不但工作在高頻條件下，而且還要承擔(dān)功率變換的功能。作為能量傳輸路徑中第一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的總體指標(biāo)的影響非常顯著。而且由于電路中諧振作用，功率元件往往要承受諧振電壓或者諧振電流的沖擊，其數(shù)值會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)輸入電壓或者輸入電流。因此，無(wú)線電能傳輸?shù)募?lì)源設(shè)計(jì)更加困難。目前多采用的是D類開(kāi)關(guān)型和E類諧振型放大電路。按照功率元件的數(shù)量和結(jié)構(gòu)，有單管、非對(duì)稱半橋、全橋等。該方向的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)高頻大功率條件下的高效率、低損耗和微型化，設(shè)計(jì)出更加適合無(wú)線電能傳輸?shù)膶Ｓ酶哳l激勵(lì)源。

3.電路結(jié)構(gòu)研究

由于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍愈加廣闊，需要適應(yīng)和滿足更加苛刻和多樣化的工作條件與限制。例如為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在電網(wǎng)運(yùn)行中能量緩沖的作用，無(wú)線充電裝置不僅需要單向充電，而且還需要將能量從電動(dòng)汽車反向傳輸給電網(wǎng)。醫(yī)用領(lǐng)域中對(duì)系統(tǒng)的體積和可靠性指標(biāo)的要求非?？量蹋虼藷o(wú)線電能傳輸裝置既要盡量壓縮體積、提高可靠性，而且還要實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的同時(shí)傳輸。越來(lái)越多新的應(yīng)用呼喚更加多功能和更強(qiáng)適應(yīng)性的無(wú)線電能傳輸裝置。因此需要提出更多新型的多功能電路結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)電路的緊湊性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]

4.標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章及醫(yī)學(xué)影響

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了三個(gè)主要的無(wú)線電能傳輸標(biāo)準(zhǔn)（聯(lián)盟），其中Qi聯(lián)盟成立于2008年12月，目前已推出針對(duì)便攜電子產(chǎn)品的低于5W以下設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)還將會(huì)提出更大功率的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而形成體系。[10]

對(duì)人體影響的疑慮貫穿于整個(gè)無(wú)線電能技術(shù)的發(fā)展，這方面的研究始終是重點(diǎn)之一，包括醫(yī)學(xué)相關(guān)性、輻射限制和磁場(chǎng)控制等多個(gè)方面。目前多采用計(jì)算機(jī)仿真和人體模擬的方式研究對(duì)人體的影響。未來(lái)將會(huì)進(jìn)一步深入研究無(wú)線電能傳輸裝置的生物性影響；同時(shí)，通過(guò)技術(shù)手段減少磁場(chǎng)泄露和影響，以滿足相關(guān)的限制性標(biāo)準(zhǔn)。

5.醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

由于無(wú)線電能傳輸避免了導(dǎo)線的束縛，人體內(nèi)部植入設(shè)備的應(yīng)用將會(huì)變得非常便利，因此無(wú)線電能傳輸在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用始終受到最大的關(guān)注。[11]但人體內(nèi)植入設(shè)備中，體積要求十分苛刻而且傳輸路徑需要經(jīng)過(guò)人體組織。因此提高微小尺寸線圈的品質(zhì)因數(shù)，提高傳輸效率[12]和研究高頻電磁場(chǎng)對(duì)人體組織的影響是目前的主要研究方向?，F(xiàn)在，無(wú)線電能傳輸技術(shù)在經(jīng)皮植入裝置、心臟起搏器、消化道機(jī)器人等方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。通過(guò)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用，未來(lái)人體植入醫(yī)療設(shè)備將會(huì)有較大的發(fā)展，會(huì)大大改變?nèi)祟惖脑\斷和治療方式。

6.電動(dòng)汽車充電裝置

由于具有無(wú)接觸、無(wú)連接和無(wú)漏電的特性，無(wú)線電能充電裝置在電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為無(wú)線電能傳輸?shù)囊粋€(gè)熱門研究方向，而且正在逐步實(shí)用化。主要分為固定式和移動(dòng)式兩大方向。固定式在充電過(guò)程中車體保持不動(dòng)，其傳輸距離和傳輸功率已經(jīng)能夠滿足電動(dòng)汽車底盤(pán)高度、電動(dòng)汽車充電功率的要求。移動(dòng)式電動(dòng)汽車無(wú)線充電方式可以隨時(shí)向行進(jìn)中的電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量，因此可以減少相同運(yùn)行里程條件下電動(dòng)汽車所需的電池容量。目前，電動(dòng)汽車充電技術(shù)的主要研究方向是進(jìn)一步提高傳輸效率、距離和功率，并且針對(duì)偏移情況、雙向傳輸、控制方式等問(wèn)題展開(kāi)研究。電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)將會(huì)推動(dòng)電動(dòng)汽車的實(shí)用進(jìn)程，無(wú)線充電技術(shù)的需求也將越來(lái)越大，市場(chǎng)前景更加廣闊。

三、結(jié)論

無(wú)線電能傳輸技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)愈加迅猛。未來(lái)的研究將更加深入和細(xì)致，并且進(jìn)一步向應(yīng)用方向推進(jìn)，實(shí)用化腳步愈發(fā)加快。隨著研究?jī)?nèi)容更加深入及人們對(duì)該技術(shù)的逐漸接受和認(rèn)可，未來(lái)其市場(chǎng)和應(yīng)用前景更加廣闊。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）