楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻(xiàn) 李 陽(yáng)

(天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387)

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無(wú)線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問(wèn)題

楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻(xiàn) 李 陽(yáng)

(天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387)

近幾年，電氣科技工作者對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究探索如火如荼，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。隨著研究的深入，有許多關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸問(wèn)題需要解決。文章首先對(duì)該技術(shù)的近期研究現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要回顧。其次重點(diǎn)提出了目前亟待解決的7個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題和4個(gè)技術(shù)瓶頸問(wèn)題。最后對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景作了進(jìn)一步的展望，重點(diǎn)介紹了高速列車無(wú)線供電技術(shù)以及前期研究工作。

無(wú)線電能傳輸技術(shù) 基礎(chǔ)問(wèn)題 技術(shù)瓶頸 應(yīng)用前景 高鐵列車

0 引言

無(wú)線電能傳輸可以避免用電設(shè)備與電網(wǎng)的直接連接，具有靈活、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，克服了電接觸的不穩(wěn)定性、電氣設(shè)備移動(dòng)的局限性等問(wèn)題，成為有線供電模式的重要補(bǔ)充，因此受到世界各國(guó)同行的重視。

迄今為止能夠?qū)崿F(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)姆绞街饕须姶鸥袘?yīng)耦合、磁諧振耦合、電場(chǎng)耦合、微波、激光、超聲波等。國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)對(duì)前5種方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹[1-4]。超聲波無(wú)線電能傳輸技術(shù)相對(duì)于其他傳輸方式研究較晚，主要集中在低功率移動(dòng)設(shè)備的供電和可行性研究方面[5]。

近幾年，電氣科學(xué)家們對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究探索達(dá)到如火如荼的程度，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。然而，隨著研究的深入，有許多關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸問(wèn)題需要解決，這些問(wèn)題的解決對(duì)推動(dòng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文首先對(duì)該技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧，其次重點(diǎn)總結(jié)提出亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸問(wèn)題，這些問(wèn)題均具有方向性和指導(dǎo)性，提供給同行們研究探索，以期早日獲得突破。最后對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景作了進(jìn)一步的展望，重點(diǎn)介紹了作者研究團(tuán)隊(duì)提出的高速列車無(wú)線供電技術(shù)以及所做的前期研究工作。

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)的近期研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)以其便捷、靈活、安全及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2012年，意大利佩魯賈大學(xué)的學(xué)者設(shè)計(jì)出具有不同頻率通道的能量傳輸系統(tǒng)并將能量和信息進(jìn)行同時(shí)傳遞[6]，此外他們還提出分析計(jì)算平面螺旋線圈諧振頻率的簡(jiǎn)便方法，并應(yīng)用程序及軟件計(jì)算線圈集總參數(shù)[7]。

2013年Olutola Jonah等[8]在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用強(qiáng)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離為10 cm、濕度范圍在0.2%～38.5%、效率范圍在17.2%～38.5%的無(wú)線輸電實(shí)驗(yàn)。

2014年David S.Ricketts等[9]設(shè)計(jì)了一種具有高品質(zhì)因數(shù)的阻抗-頻率高準(zhǔn)確度匹配三線圈結(jié)構(gòu)，并通過(guò)無(wú)線電能最小功率傳輸實(shí)驗(yàn)證明了該線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，其傳輸性能在原來(lái)基礎(chǔ)上提高了約30%。

2011年，美國(guó)華盛頓大學(xué)、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與英特爾宣布，基于磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)，試制出了植入式人工心臟適用的供電系統(tǒng)，將裝有接收線圈的人工心臟放在盛滿水的容器中，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸[10]。除了在醫(yī)療領(lǐng)域之外，美國(guó)華盛頓大學(xué)還在考慮把無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于海洋中設(shè)備的供電。

在微波無(wú)線電能傳輸方面，2008年5月，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局在夏威夷主島成功將20 W微波能量從一個(gè)山頂傳輸至148 km外的一座島嶼上，采用平面陣列的發(fā)射天線，工作頻率為2.45 GHz。這是迄今傳輸距離最遠(yuǎn)的微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)，證明了空間微波能量傳輸?shù)目尚行?。美?guó)計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)可以實(shí)用的太陽(yáng)能衛(wèi)星電站。2012年日本宇航局與東京大學(xué)合作，針對(duì)未來(lái)低軌小衛(wèi)星空間太陽(yáng)能微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)研制了微波發(fā)射天線陣列，總功率可達(dá)到1.6 kW。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

重慶大學(xué)孫躍教授課題組[11]利用互感耦合模型，分析了磁共振模式電能傳輸系統(tǒng)的4種拓?fù)?，給出了系統(tǒng)發(fā)射線圈恒流，輸出電壓恒壓的參數(shù)邊界條件且優(yōu)化了系統(tǒng)的磁路機(jī)構(gòu)。對(duì)電能諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的損耗問(wèn)題和感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸電源規(guī)劃問(wèn)題也進(jìn)行了研究。

東南大學(xué)黃學(xué)良教授課題組[12]提出了一種在給定工作頻率、傳輸距離下的盤式諧振器的優(yōu)化與設(shè)計(jì)方法。研究傳輸效率及輸出功率與線圈距離、工作頻率、負(fù)載電阻之間的關(guān)系。對(duì)雙中繼無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)和系統(tǒng)中遇到金屬介質(zhì)障礙物的情況進(jìn)行了探討。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授課題組[13，14]分析了中繼線圈在諧振頻率時(shí)的工作特征以及電流放大的理論機(jī)理和單管E類功率放大器的負(fù)載阻抗特性及影響負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的因素，還研究了加入平板磁心的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中耦合系數(shù)的變化，工作頻率對(duì)傳輸?shù)挠绊?，發(fā)射與接收的移位傳輸以及系統(tǒng)的功率傳輸特性。另外，對(duì)自主無(wú)線充電功能的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和采用無(wú)線電能傳輸技術(shù)的無(wú)尾家電進(jìn)行了詳細(xì)研究。

華南理工大學(xué)張波教授課題組[15]從電路角度分析了磁耦合諧振傳能系統(tǒng)的傳能效率與距離和線圈參數(shù)的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上加入頻率跟蹤系統(tǒng)用以解決傳輸過(guò)程中由于頻率失諧帶來(lái)的傳輸效率低的問(wèn)題，并于2014年獲得題為“分?jǐn)?shù)階電路系統(tǒng)諧振無(wú)線電能傳輸機(jī)理及關(guān)鍵問(wèn)題研究”的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。

清華大學(xué)趙爭(zhēng)鳴教授課題組[16]分析了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中兩線圈和四線圈基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出了在傳輸效率相同的情況下，增加源線圈和負(fù)載線圈的四線圈結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)匹配的結(jié)論。于歆杰副教授[17]研制了應(yīng)用于心臟起搏器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)。王志華教授課題組[18]對(duì)植入式醫(yī)療通信與射頻集成電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并撰寫專著《Wireless Power Transfer for Medical Microsystem》。

香港理工大學(xué)傅為農(nóng)教授課題組與武漢大學(xué)王軍華教授[19]合作研制了一種平面螺旋諧振線圈，在發(fā)射諧振線圈和接收諧振線圈相距20 cm時(shí)，諧振頻率為5.5 MHz，傳輸效率為46%。此外，他們還設(shè)計(jì)了一種名為“TC-WiTricity”的充電器。該充電器應(yīng)用TiO2納米粉末以及C4H6O2乳膠結(jié)合制成，降低了諧振器的諧振頻率。

在微波無(wú)線電能傳輸方面，四川大學(xué)于2013年9月建立了kW級(jí)、km級(jí)無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)裝置。采用4個(gè)800 W磁控管進(jìn)行功率合成，使用自行設(shè)計(jì)的平面天線和接收整流天線陣列，實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射天線陣列口徑為16 m2，接收天線陣列口徑為64 m2。微波整流電路轉(zhuǎn)化效率達(dá)到75.26%，系統(tǒng)總效率達(dá)到了5.71%。

本文作者所在課題組于2013年提出將無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于高速列車供電的設(shè)想，并作了初步研究工作，2014年得到了題為“高鐵列車無(wú)線供電方法中的幾個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究”國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。并于2014年8月出版了學(xué)術(shù)專著《無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用》。

同濟(jì)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和浙江大學(xué)等也取得了有價(jià)值的研究成果。

2014年3月，全國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)無(wú)線輸電家電分技術(shù)委員會(huì)成立。2014年4月，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)專業(yè)委員會(huì)成立。2015年1月，中國(guó)電源學(xué)會(huì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)及裝置專業(yè)委員會(huì)成立。

2014年5月香山科學(xué)會(huì)議第499次學(xué)術(shù)討論會(huì)召開(kāi)。大功率無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其科學(xué)問(wèn)題、空間太陽(yáng)能電站發(fā)展核心技術(shù)問(wèn)題為該會(huì)議的中心議題。我國(guó)有望于2030年研發(fā)出首個(gè)空間太陽(yáng)能電站，這意味著微波無(wú)線電能傳輸技術(shù)在我國(guó)將得到飛躍發(fā)展。

2 無(wú)線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題

無(wú)線電能傳輸技術(shù)盡管發(fā)展迅速，但仍存在一些關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題需要研究。

2.1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)發(fā)送與接收的新原理

如前所述，電磁感應(yīng)耦合、磁諧振耦合、電場(chǎng)耦合、微波、激光和超聲波等是無(wú)線電能傳輸?shù)闹饕绞?，它們各有?yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用局限性。微波和激光傳輸距離遠(yuǎn)，但效率極低，適用于一些特殊的場(chǎng)合，如軍事、空間太陽(yáng)能電站等；超聲波和電場(chǎng)耦合無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)磁場(chǎng)輻射，但傳輸功率??；電磁感應(yīng)耦合傳輸功率大，但傳輸距離很短，適用于近距離場(chǎng)合；磁諧振耦合傳輸距離高于電磁感應(yīng)耦合，效率高于微波等無(wú)線傳輸技術(shù)，但在大功率、遠(yuǎn)距離多種應(yīng)用場(chǎng)合仍不適應(yīng)。人們基于現(xiàn)有無(wú)線傳輸方式，通過(guò)改進(jìn)和組合應(yīng)用，提高了傳輸效率和距離，但與實(shí)際需求還有一定差距。

為推動(dòng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尋找新原理、新方法的無(wú)線電能傳輸方式是該技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

2.2 無(wú)線電能傳輸空間功率密度分布及傳遞機(jī)理

在無(wú)線電能傳輸技術(shù)的理論研究中，人們主要采用電路理論[20]和耦合模理論[3，21，22]對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。應(yīng)用電路理論來(lái)分析系統(tǒng)傳輸功率和效率及其與傳輸距離、系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系；采用耦合模理論來(lái)闡述電磁諧振耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的基本特點(diǎn)與前提條件。然而，對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)目臻g功率傳遞機(jī)理，功率密度在一定空間范圍內(nèi)隨時(shí)間-空間變化的分布關(guān)系的研究及如何定量地表述其與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系至今未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)闡述。此基礎(chǔ)性問(wèn)題的解決可使我們了解和掌握能量空間傳遞規(guī)律，更好地約束和利用這些空間能量，控制能量傳輸方向并提高其利用率。

2.3 近場(chǎng)諧振耦合傳輸方式的方向性問(wèn)題

磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端之間的方向性問(wèn)題首先由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等提出，文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，基于磁諧振耦合技術(shù)的無(wú)線電能傳輸幾乎可以做到無(wú)方向性，但文中針對(duì)方向性的問(wèn)題并未給出解釋、推理以及實(shí)驗(yàn)方面的具體數(shù)據(jù)。由此，國(guó)內(nèi)各科研院所和高校也對(duì)方向性問(wèn)題進(jìn)行了大量的分析和實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[23]從過(guò)耦合、臨界耦合和欠耦合3個(gè)方面對(duì)磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)方向性進(jìn)行了分析，并根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)同軸、平行放置，系統(tǒng)工作在過(guò)耦合狀態(tài)，在一定范圍是無(wú)方向性的；系統(tǒng)工作在臨界耦合和欠耦合范圍內(nèi)是有方向性的。文獻(xiàn)[24]認(rèn)為，在一定的水平錯(cuò)位和角度偏移下，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)降低。

大量實(shí)驗(yàn)研究也表明，該傳輸方式有明顯的方向性特征。目前，人們對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)方向性的有無(wú)或在某一特定條件下方向性是否存在及在系統(tǒng)存在方向時(shí)，系統(tǒng)耦合角度、偏移距離與傳輸距離、傳輸功率和效率之間的定量關(guān)系，仍未獲得一致的結(jié)論，還需進(jìn)一步進(jìn)行理論研究。

2.4 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電源頻率與傳輸距離及功率的定量關(guān)系問(wèn)題

電源頻率與傳輸距離及功率的關(guān)系始終是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。依據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)隨傳輸距離的減少而增大[25]；在磁諧振耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中距離減小到一定程度后，功率會(huì)隨傳輸距離的減少而減少，而改變電源頻率則可提高傳輸功率，也就是在該系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象[22，26]。

在無(wú)線電能傳輸應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸距離、傳輸功率和電源頻率之間相互影響。但到目前為止，對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中電源頻率與傳輸距離及功率之間的定量關(guān)系尚未見(jiàn)報(bào)道。在實(shí)際應(yīng)用中，如在傳輸距離一定時(shí)，如何根據(jù)傳輸功率定量給出電源頻率；或傳輸功率一定時(shí)，如何確定最佳傳輸距離等的每一個(gè)具體數(shù)值都需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)確定三者之間的關(guān)系。針對(duì)一種或多種無(wú)線電能傳輸方式，如何采用解析或數(shù)值的方法給出電源頻率與傳輸距離及效率之間的定量關(guān)系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是該領(lǐng)域研究人員需要關(guān)注和解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。

2.5 無(wú)線電能傳輸空間內(nèi)生物安全性問(wèn)題

無(wú)線電能傳輸技術(shù)利用中高頻電磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞，其中高頻的電磁能量必然會(huì)有一部分進(jìn)入系統(tǒng)外部的一些物體，比如人體、墻體及周圍環(huán)境等。尤其是在進(jìn)行遠(yuǎn)距離大容量電能傳送時(shí)，電磁輻射功率會(huì)更大，相應(yīng)的泄露到外圍物體上的能量也就會(huì)越多。

生命體長(zhǎng)期暴露在超過(guò)安全限值的電磁環(huán)境中，會(huì)使其生物機(jī)能下降，患神經(jīng)系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)疾病的概率增加，甚至還會(huì)影響人的心理和行為健康。多數(shù)文件通過(guò)比吸收率(Specific Absorption Rate)來(lái)描述電磁輻射限值[27]。國(guó)際上對(duì)于電磁曝露限值存在兩大主流標(biāo)準(zhǔn)，一是ICNIRP(International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection)標(biāo)準(zhǔn)，它由國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)發(fā)布，主要使用范圍在歐洲和澳大利亞等。另一標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)標(biāo)準(zhǔn)，主要使用范圍在美國(guó)、加拿大和日本等。

文獻(xiàn)[28]對(duì)人體在四線圈系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)暴露問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)成人與兒童的全尺寸模型進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，最終得出人體模型輻射限值。

目前學(xué)者主要通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真和測(cè)試的方法定量分析無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，并將結(jié)果與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。為了系統(tǒng)地研究無(wú)線電能傳輸空間內(nèi)的生物安全性問(wèn)題，應(yīng)分階段進(jìn)行不同功率等級(jí)、不同頻段的生物體實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行長(zhǎng)期觀察與統(tǒng)計(jì)，從而獲得生物體受高頻電磁環(huán)境影響的相關(guān)結(jié)論。

2.6 高速運(yùn)動(dòng)在線無(wú)線供電情況下供受電體之間的受力問(wèn)題

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，只要穿過(guò)回路磁通量發(fā)生改變，回路中就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。引起磁通量變化的原因包括：①回路在磁場(chǎng)中無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但磁場(chǎng)空間分布隨時(shí)間變化，這一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為感生電動(dòng)勢(shì)；②回路相對(duì)于磁場(chǎng)有運(yùn)動(dòng)，這一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)于電能發(fā)送端與接收端相對(duì)靜止的中短距離無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，接收端線圈中的電壓一般可認(rèn)為來(lái)源于感生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)發(fā)送端與接收端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且在高速狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)線輸電時(shí)，接收端將受到感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的共同作用。前者的存在實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸，同時(shí)在磁屏蔽裝置上感生渦流并產(chǎn)生損耗；后者的存在導(dǎo)致接收端將受到一定程度的電動(dòng)力的作用。如果考慮接收端運(yùn)行至不同位置時(shí)，多個(gè)發(fā)送端進(jìn)行切換時(shí)電流突變而引起的瞬時(shí)電動(dòng)力問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)將更加復(fù)雜多變。

因此，為了準(zhǔn)確分析高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行在線無(wú)線電能傳輸時(shí)的受力問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)不同工作頻率及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行求解分析，準(zhǔn)確評(píng)估供受電體所受的電動(dòng)力影響。

2.7 先進(jìn)材料在無(wú)線電能傳輸中的約束作用機(jī)制

無(wú)線電能傳輸追求的目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大功率和高效率無(wú)線供電，借助先進(jìn)材料特性一方面降低損耗并拓展傳輸距離，另一方面在供電同時(shí)對(duì)電能傳輸區(qū)域外物體影響盡量小。目前由于多個(gè)因素的限制，以上幾方面并不能同時(shí)達(dá)到要求，但先進(jìn)材料的引入已獲得傳輸性能的提升。

為了減小系統(tǒng)的歐姆損耗，提高電能轉(zhuǎn)換效率，文獻(xiàn)[29]采用超導(dǎo)材料制作了用于電能耦合的線圈天線，并對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)男?、功率和電磁?chǎng)等問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，結(jié)果表明加入超導(dǎo)材料后系統(tǒng)將獲得更為突出的傳輸性能。為了集中電能功率密度并減小高頻電磁場(chǎng)對(duì)外界物體的影響，必須研究對(duì)電能傳輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁屏蔽。目前一般采用錳鋅功率類和高頻鎳鋅鐵氧體材料構(gòu)成方形或圓形磁屏蔽結(jié)構(gòu)，從而將空間能量交換約束在線圈臨近有限空間內(nèi)。為了拓展無(wú)線電能傳輸范圍，研究人員利用超材料(Metamaterial)開(kāi)發(fā)的方形超透鏡在遠(yuǎn)大于發(fā)射器和接收器本身尺寸的距離內(nèi)高效地聚焦磁場(chǎng)。超材料是一類具有常規(guī)材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料，其超常物理性質(zhì)主要由新奇的人工結(jié)構(gòu)決定。采用超材料構(gòu)成的多單元復(fù)合結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)磁場(chǎng)間的耦合效果，在拓展傳輸距離的同時(shí)也提高了傳輸效率[30]。

伴隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，具有更加優(yōu)異特性的先進(jìn)材料將不斷被應(yīng)用于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，上述諸多束縛和限制將會(huì)得到改善或解除。

3 無(wú)線電能傳輸技術(shù)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題

除了基礎(chǔ)問(wèn)題以外，無(wú)線電能傳輸技術(shù)也存在一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題需要解決，下面分別敘述。

3.1 系統(tǒng)總體技術(shù)集成問(wèn)題

無(wú)線電能傳輸技術(shù)作為一種新型的電能傳送技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)的無(wú)線輸電。但如何克服干擾、提高輸送效率和距離、安全可靠運(yùn)行、計(jì)量電費(fèi)、使系統(tǒng)智能化以及符合現(xiàn)有認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)等，這些都涉及到系統(tǒng)總體技術(shù)集成，問(wèn)題如下：

1)如何提高系統(tǒng)傳輸電能的效率。系統(tǒng)損耗主要來(lái)源于線圈電阻損耗和高頻器件損耗。因此，如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，選取器件、設(shè)計(jì)電路、采用軟開(kāi)關(guān)算法、優(yōu)化系統(tǒng)傳遞與接收端設(shè)備的結(jié)構(gòu)等以進(jìn)一步降低損耗，提高效率，是無(wú)線電能傳輸技術(shù)需要解決的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

2)諧振頻率跟蹤、交互的通信。對(duì)于短距離無(wú)線電能傳輸技術(shù)而言，發(fā)射端與接收端處于諧振狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)電能成功傳送的關(guān)鍵因素。在無(wú)線供電過(guò)程中，負(fù)載端有可能存在位置偏移或超出工作區(qū)域等工況，控制程序經(jīng)常要求獲得裝置的具體位置以及工作狀態(tài)等信息，以方便系統(tǒng)判斷并工作于不同模式。對(duì)移動(dòng)的負(fù)載端供電時(shí)也需要檢測(cè)負(fù)載端所處的位置以便獲得最佳的傳輸效率。因此還要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)高效的控制策略以滿足諧振頻率跟蹤和位置自適應(yīng)需求。

3)系統(tǒng)外物體對(duì)系統(tǒng)正常工作的擾動(dòng)影響分析。由于短距離無(wú)線輸電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端與接收端之間具有一定的工作間距，其在實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳遞同時(shí)，輸電系統(tǒng)外部物體有可能進(jìn)入該區(qū)域而影響正常工作。干擾物體，尤其是電或磁的良導(dǎo)體，進(jìn)入電能傳輸區(qū)域時(shí)不僅會(huì)使系統(tǒng)的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移，還會(huì)使系統(tǒng)增加額外損耗。因此，應(yīng)研究外部物體對(duì)系統(tǒng)正常工作的擾動(dòng)機(jī)理并獲得檢測(cè)與降低擾動(dòng)的有效手段，量化擾動(dòng)物體材質(zhì)、尺寸、相對(duì)位置與持續(xù)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響程度，根據(jù)結(jié)果加入保護(hù)算法、檢測(cè)方法并劃分不同的工作模式以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4)高可靠性大功率無(wú)線輸電電源的研制。目前無(wú)線輸電電源一般采用IGBT和MOSFET管構(gòu)成橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并配合不同軟開(kāi)關(guān)算法實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。當(dāng)短距離無(wú)線充電負(fù)載功率進(jìn)一步增大時(shí)，需要對(duì)逆變功率管進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)容，而傳輸功率的規(guī)模直接增加了電源設(shè)計(jì)與運(yùn)行的難度。因此，設(shè)計(jì)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高可靠、大功率電源是將無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于大功率負(fù)載輸電的前提條件。

5)在無(wú)線模式供電下，應(yīng)該給誰(shuí)受多少電，電費(fèi)如何計(jì)量，這涉及系統(tǒng)的智能化技術(shù)。

6)理論模型指導(dǎo)以及仿真優(yōu)化問(wèn)題。無(wú)線電能傳輸技術(shù)集合了電磁場(chǎng)、電力電子、控制理論與控制工程等多學(xué)科的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)的不同種類又分別體現(xiàn)出不同的工作特性。目前采用的互感模型、耦合模模型、散射矩陣模型雖然在一定程度上可以反映系統(tǒng)工作的基本特性，但所得結(jié)果與實(shí)際工況還存在一定的差距，因此還需進(jìn)一步修正和完善。

3.2 無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)電源管理技術(shù)問(wèn)題

無(wú)線電能傳輸技術(shù)的使用特點(diǎn)之一是有很高的靈活性。在無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)中，電能之間的傳遞可以是一對(duì)一的，即一個(gè)能量發(fā)送源向一個(gè)能量接收器進(jìn)行傳遞能量。同時(shí)該技術(shù)也允許一對(duì)多、多對(duì)一或者多對(duì)多的使用方式，比如電動(dòng)汽車的使用，在一定范圍內(nèi)由電網(wǎng)的一個(gè)發(fā)送源向多個(gè)汽車同時(shí)進(jìn)行供電。再如，家庭用無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)放置一個(gè)發(fā)送源不能滿足要求時(shí)，可以放置多個(gè)發(fā)送源協(xié)同工作，如圖1所示。

圖1 多個(gè)無(wú)線供電模塊協(xié)同工作Fig.1 Cooperative work of multi wireless power supply modules

因此無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)多個(gè)發(fā)送源和多個(gè)接收器進(jìn)行有效的統(tǒng)一管理。當(dāng)該系統(tǒng)工作在一對(duì)多模式下時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)充電設(shè)備信息自動(dòng)判斷容量是否足夠，滿足要求時(shí)充電開(kāi)始，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)容量不足時(shí)，應(yīng)首先對(duì)優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備進(jìn)行充電。同時(shí)，當(dāng)有新的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)首先判斷系統(tǒng)剩余容量能否滿足新接入設(shè)備，如果可以則開(kāi)始正常充電，如果發(fā)現(xiàn)不能滿足，則系統(tǒng)不應(yīng)對(duì)該設(shè)備充電，而應(yīng)保證原有設(shè)備的正常充電。對(duì)于多對(duì)一模式，系統(tǒng)應(yīng)該首先判斷充電對(duì)象的容量，然后合理組合開(kāi)始充電，當(dāng)系統(tǒng)充電容量過(guò)剩時(shí)，也應(yīng)按照優(yōu)先級(jí)順序依次切除。在多對(duì)多模式下工作時(shí)，應(yīng)保證電源間的協(xié)同工作，合理分配充電設(shè)備和容量，從而保證充電的正常進(jìn)行。

3.3 電磁兼容及頻段占用技術(shù)問(wèn)題

電磁兼容的基本內(nèi)容之一是各個(gè)電子電氣設(shè)備在同一空間中同時(shí)工作時(shí)，總會(huì)在周圍產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)通過(guò)一定的途徑，以輻射、傳導(dǎo)的方式把能量耦合到其他的設(shè)備，使其他設(shè)備不能正常工作，同時(shí)這些設(shè)備也可能從其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中吸收能量或者受到干擾，導(dǎo)致自身無(wú)法正常工作。

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周圍空間會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，發(fā)送源與接收器通過(guò)電磁場(chǎng)完成電能的傳遞與數(shù)據(jù)的交換。這樣系統(tǒng)本身電子器件應(yīng)該滿足電磁兼容指標(biāo)，不受自身發(fā)出的空間電磁場(chǎng)的影響，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該能很好地處理系統(tǒng)外部物體進(jìn)入時(shí)所帶來(lái)的通信信號(hào)干擾和電能質(zhì)量波動(dòng)問(wèn)題，以保證系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)應(yīng)該注意的是無(wú)線充電工作時(shí)的頻率不應(yīng)與現(xiàn)行頻率相沖突，比如移動(dòng)通信用各頻段、電視信號(hào)用頻段以及廣播用無(wú)線電頻段等，也不能對(duì)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)造成不良影響。所使用的頻率應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。

3.4 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)問(wèn)題

產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立是產(chǎn)品良好發(fā)展的有力保證，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能夠幫助企業(yè)提高效率、降低成本，使企業(yè)走上良性發(fā)展的道路。無(wú)線電能傳輸技術(shù)涉及電氣工程、自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程等專業(yè)，以及能源、建筑、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域，產(chǎn)品覆蓋醫(yī)療衛(wèi)生、新能源、交通、通信設(shè)施、居民住宅等多個(gè)方面，因此涉及領(lǐng)域廣。國(guó)內(nèi)國(guó)際現(xiàn)有的生產(chǎn)制造、運(yùn)營(yíng)及監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足無(wú)線電能傳輸技術(shù)發(fā)展的需要，亟需補(bǔ)充擴(kuò)展。同時(shí)制定具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)也是自主創(chuàng)新的一個(gè)重要體現(xiàn)。

4 無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景展望

近年來(lái)無(wú)線電能傳輸技術(shù)在便攜家用電器、人體內(nèi)植入器件和電動(dòng)汽車等的無(wú)線供電領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。隨著研究的不斷深入以及人們對(duì)于電能使用的便攜性、多樣性要求的不斷提高，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出許多新特點(diǎn)，又將開(kāi)拓出更多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于上述應(yīng)用已有許多文獻(xiàn)敘述，因此這里重點(diǎn)給出無(wú)線電能傳輸技術(shù)在高速列車供電和空間太陽(yáng)能電站中的應(yīng)用，這是兩個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.1 高鐵列車無(wú)線供電技術(shù)

中國(guó)高鐵客運(yùn)專線里程已經(jīng)超過(guò)了世界所有其他國(guó)家高鐵運(yùn)營(yíng)里程的總和，2015年中國(guó)高鐵總里程將達(dá)到1.8萬(wàn)km。

目前的高鐵列車受電是通過(guò)受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線相接觸，在靜止或滑動(dòng)狀態(tài)下獲取電能。

在高速運(yùn)行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關(guān)系受到摩擦、磨損、離線、振動(dòng)、電弧和環(huán)境等多方面挑戰(zhàn)，各因素之間既有區(qū)別又相互聯(lián)系，它們的共同作用使弓網(wǎng)問(wèn)題更為突出。

為解決弓網(wǎng)接觸供電存在的問(wèn)題，提出采用無(wú)線電能傳輸技術(shù)為高速列車供電，供、受電端依靠電磁耦合傳遞電能，沒(méi)有任何直接接觸，能有效克服弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸供電的以上諸多缺點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。需要解決的問(wèn)題是大功率無(wú)線供電單元、高速運(yùn)動(dòng)下供受電端之間的電動(dòng)力和乘客車廂內(nèi)安全電磁環(huán)境等問(wèn)題。在這些方面作者的課題組已經(jīng)做了許多研究工作，并取得了一些初步成果。圖2所示為高鐵列車無(wú)線供電模型，相關(guān)研究成果在2014年中國(guó)科協(xié)夏季科學(xué)展和全國(guó)科普日上展出[31]。

圖2 高速列車無(wú)線供電技術(shù)Fig.2 The technology of wireless power supply for high-speed train

2014年，韓國(guó)鐵路技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)并運(yùn)行了1 MW級(jí)列車無(wú)線供電系統(tǒng)[32]。

無(wú)線供電有望成為高鐵列車革命性供電新模式，對(duì)促進(jìn)世界高速鐵路的發(fā)展具有里程碑意義。

4.2 空間太陽(yáng)能電站

空間太陽(yáng)能電站(Solar Power Satellites)技術(shù)是提供大規(guī)模清潔能源重要途徑之一，是太空能源開(kāi)發(fā)與利用的熱門領(lǐng)域[4]。

空間太陽(yáng)能電站主要包括太陽(yáng)能發(fā)電裝置、空間電能轉(zhuǎn)換與發(fā)射裝置、以及地面接收與電能轉(zhuǎn)換裝置，其目標(biāo)是將太空中接收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并傳送回地球以供人類使用，其核心技術(shù)之一就是通過(guò)無(wú)線電能傳輸技術(shù)將電能以微波或者光波的形式實(shí)現(xiàn)能量的傳送與接收。首先，空間中運(yùn)行的太陽(yáng)能電池板將獲取的電能傳送給微波發(fā)射天線系統(tǒng)中的大功率微波源，通過(guò)波導(dǎo)微波饋電系統(tǒng)將微波功率分布后饋入薄膜式天線。為保證發(fā)射的微波波束的指向性及準(zhǔn)確度，每個(gè)天線單元模塊均具有相同的微波電能相位。微波發(fā)射的頻率范圍一般在2.45～6 GHz，甚至更高，這樣電磁波能量集中、能量密度高且不易散射，同時(shí)地球大氣層對(duì)于該頻段電磁波吸收作用小、幾乎透明，降低了電能傳送時(shí)的能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離、大容量傳送。然后，空間中的發(fā)射天線將微波波束高定向性地?zé)o線傳輸?shù)降孛娼邮昭b置，并由整流天線陣列將微波功率轉(zhuǎn)化為直流電。直流合成模塊將對(duì)整流天線單元的直流輸出進(jìn)行電能控制與管理，并最終實(shí)現(xiàn)電能的并網(wǎng)輸送。

5 結(jié)論

本文對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究近況作了簡(jiǎn)要敘述，重點(diǎn)給出了該技術(shù)發(fā)送與接收的新原理、空間功率密度分布及傳遞機(jī)理、近場(chǎng)諧振耦合傳輸方式的方向性、電源頻率與傳輸距離及功率的定量關(guān)系、傳輸空間內(nèi)生物安全性、高速運(yùn)動(dòng)在線無(wú)線供電情況下供受電體之間的受力、先進(jìn)材料的約束作用機(jī)制等七個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題和系統(tǒng)總體技術(shù)集成、電源管理、電磁兼容以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等四個(gè)技術(shù)瓶頸問(wèn)題，供同行研究時(shí)參考，最后給出了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的最新應(yīng)用趨勢(shì)。

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Key Fundamental Problems and Technical Bottlenecks of the Wireless Power Transmission Technology

YangQingxinZhangPengchengZhuLihuaXueMingZhangXianLiYang

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China)

Studies and explorations of wireless power transmission technology carried out by electrical science and technology researchers are underway like a raging fire while its applications are expanding.As researches continue and develop，however，many key fundamental problems and some bottlenecks demand prompt solutions.This paper briefly reviews the recent research status of the technology and frames seven critical fundamental problems and four technical bottlenecks.Further prospects of wireless power transmission applications are summarized at last.In addition，the high-speed train featuring wireless power transmission technology proposed by the author’s research team and the preliminary study carried out in this field are mainly introduced in this paper.

Wireless power transmission，fundamental problems，technical bottlenecks，application prospects，high-speed train

國(guó)家自然科學(xué)基金(51477117、51307120、51207106)項(xiàng)目資助。

2015-01-28 改稿日期2015-01-30

TM15，TM72

楊慶新 男，1961年生，教授，博導(dǎo)生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)與磁技術(shù)。(通信作者)

章鵬程 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)。