劉紅偉 張 波 黃潤(rùn)鴻 肖文勛 郭上華

（1.珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519060；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

早在大規(guī)模有線(xiàn)電能傳輸之前，無(wú)線(xiàn)電能傳輸在一百多年前就由偉大的發(fā)明家Nikola Tesla 提出，并且申請(qǐng)了專(zhuān)利[1]。但此后并沒(méi)有突破性進(jìn)展，一直停留在可分離變壓器模型[2]。直到20 世紀(jì)90年代，新西蘭奧克蘭大學(xué)的學(xué)者提出了ICPT 技術(shù)的概念[3]，并且在軌道電車(chē)非接觸充電方面取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[4]，才引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。2007年，MIT 的Marin Solja?i? 教授及其研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用電磁近場(chǎng)諧振耦合的原理，成功點(diǎn)亮了2m 多外的一個(gè)60W 的燈泡，并且傳輸效率達(dá)到40%左右，在1m 的位置甚至達(dá)到90%的驚人效率[5]，此項(xiàng)技術(shù)的突破為中等距離的無(wú)線(xiàn)電能傳輸提供了一個(gè)可能的方式[6]。

感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)幕驹砼c普通變壓器類(lèi)似，但又有根本的區(qū)別。首先，感應(yīng)耦合是非接觸式的，原副邊不存在鐵心連接。其次，因原副邊存在較大的氣隙，造成很大的漏磁。并且感應(yīng)耦合工作在高頻的條件下，很多技術(shù)問(wèn)題與傳統(tǒng)變壓器有根本區(qū)別。

諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸有別于以往的感應(yīng)耦合電能傳輸，它是利用非輻射電磁近場(chǎng)的儲(chǔ)能場(chǎng)的性質(zhì)，基于光子隧道效應(yīng)的機(jī)理[7]，通過(guò)共振的方式將高頻功率源發(fā)出的漸逝波“捕獲”，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線(xiàn)傳輸。這種強(qiáng)耦合的共振模式不僅僅局限于磁共振，而且存在于光共振、聲共振、核磁共振等中[8]。在非輻射近場(chǎng)的范圍內(nèi)，任何發(fā)生共振的物體能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、高效的能量傳輸，而很少的能量會(huì)向外輻射，并且不受一般外物的阻礙，即能量很少損耗在非諧振物體中[9]，顯示出此項(xiàng)技術(shù)在中等距離無(wú)線(xiàn)電能傳輸誘人的前景。

然而，感應(yīng)耦合和諧振耦合兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式在理論模型、電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)上存在諸多相似之處，導(dǎo)致了工程技術(shù)人員對(duì)二者概念的混淆，已有的文獻(xiàn)[10-11]只是從實(shí)驗(yàn)上說(shuō)明兩者的區(qū)別，并沒(méi)有從理論上分析，在一定程度上阻礙了無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展。本文從兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式的基本原理和模型出發(fā)，闡釋了它們的區(qū)別和應(yīng)用場(chǎng)合，為兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。此外，在諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)难芯恐校锢韺W(xué)家趨向于用耦合模理論來(lái)解釋?zhuān)姎夤ぷ髡邉t偏向于電路理論，而本文則統(tǒng)一考慮，研究它們之間內(nèi)在的聯(lián)系。

1 感應(yīng)耦合電能傳輸

目前對(duì)感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)慕Ｖ饕锌煞蛛x變壓器模型和互感模型[12]，因感應(yīng)耦合電能傳輸是松散耦合的結(jié)構(gòu)，用互感模型來(lái)建模比較合適。

1.1 基本原理和模型

感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)由分離變壓器構(gòu)成，基本原理是基于電磁感應(yīng)定律，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，T 型等效電路[13]如圖2所示，L1、L2為漏磁參數(shù)，M為勵(lì)磁參數(shù)。此種等效電路比較適合于緊密耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，作為早期研究非接觸式電能傳輸?shù)哪Ｐ推鸬搅酥笇?dǎo)的作用。

圖1 感應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)

圖2 等效電路圖

感應(yīng)耦合與傳統(tǒng)的變壓器的不同之處在于：感應(yīng)耦合電能傳輸是松散耦合的系統(tǒng)，原邊與副邊線(xiàn)圈沒(méi)有直接的鐵心連接，存在較大的氣隙，在有些系統(tǒng)中，原、副邊甚至是沒(méi)有鐵心的空心線(xiàn)圈，因此造成很大的漏磁，磁路的磁動(dòng)勢(shì)大部分降在氣隙上。解決此問(wèn)題的辦法在于大幅度提高交流功率源的頻率。早期的研究工作受變壓器強(qiáng)耦合系數(shù)的影響，大部分工作注重于如何提高感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的耦合系數(shù)，如文獻(xiàn)[14]在0.2mm 的范圍內(nèi)效率可以做到92%。近期的研究工作表明在大幅度提高電源頻率的同時(shí)，在原邊和副邊線(xiàn)圈引入補(bǔ)償電容可以大大提高感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和效率，并且在理論和實(shí)驗(yàn)上證明要實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸并不是耦合系數(shù)越大越好，而是有一個(gè)最優(yōu)的耦合系數(shù)[15]。

感應(yīng)耦合電能傳輸突破了傳統(tǒng)非接觸電能傳輸系統(tǒng)距離在1cm 以?xún)?nèi)的限制，達(dá)到十幾厘米級(jí)的傳輸距離，因此是松散耦合系統(tǒng)，適合用互感模型來(lái)描述，主要有 4 種諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]，分別為 SS（series-series，串-串），PS（parallel-series，并-串），SP（series-parallel，串-并）和PP（parallel-parallel，并-并）型，其中SS、SP 又稱(chēng)為電壓型，PS、PP 又稱(chēng)為電流型[17]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在此 4 種結(jié)構(gòu)中，都是通過(guò)副邊諧振頻率ωs=1/(LSCS)1/2來(lái)決定系統(tǒng)工作頻率ω的。文獻(xiàn)[12]指出副邊補(bǔ)償電容是為了提高原邊向副邊傳輸電能和帶負(fù)載的能力，原邊補(bǔ)償則是減小無(wú)功容量和電源尺寸。并且引入反射阻抗的概念，即副邊回路阻抗和互感抗通過(guò)互感反映到原邊的等效阻抗，可得副邊串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆瓷渥杩篂閆r=(ωsM)2/RW，并聯(lián)反射阻抗為Zr=ωsM2[RW/(ωsLS)-j]/LS。

據(jù)此，以SS 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，得到等效電路如圖4所示，分析感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和效率特性。設(shè)原邊輸入電壓為U˙1，電流為I˙1，副邊電流為I˙2，其中Zeq=(ωM)2Y11+RS+j(ωLS-1/ωCS)。

圖4 SS 型等效電路圖

根據(jù)等效電路圖可得輸出到負(fù)載的功率

令導(dǎo)數(shù)dPo/dM=0，可得系統(tǒng)在最大傳輸功率目標(biāo)下的優(yōu)化互感值

得到的互感優(yōu)化值對(duì)提高系統(tǒng)的功率傳輸和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[18]給出了不忽略原邊線(xiàn)圈電阻RP時(shí)4 種諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在最大功率傳輸目標(biāo)下的優(yōu)化參數(shù)。從分析可知，除SS 型外，其他結(jié)構(gòu)的原邊諧振頻率都不是單個(gè)線(xiàn)圈的固有頻率。實(shí)際此優(yōu)化參數(shù)對(duì)固定位置傳輸電能比較適用，對(duì)于向移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)供電，如果要滿(mǎn)足此條件將會(huì)使控制方法非常復(fù)雜甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

分析系統(tǒng)的效率：考慮副邊線(xiàn)圈內(nèi)阻RS，SS型原副邊都補(bǔ)償諧振時(shí)，效率為

理論研究表明，SS 型系統(tǒng)當(dāng)傳輸功率最大時(shí)，效率只有50%[18]。

1.2 關(guān)鍵問(wèn)題

感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)首要解決的是系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題，并且為了實(shí)用化，必須提高電能傳輸功率和效率，降低裝置的成本。同時(shí)要解決無(wú)線(xiàn)傳輸電能的距離和負(fù)載的變化問(wèn)題以及原副邊發(fā)生錯(cuò)位和存在障礙物時(shí)導(dǎo)致效率明顯降低的問(wèn)題。大量的文獻(xiàn)在電壓穩(wěn)定控制[19]、頻率穩(wěn)定控制[20]、負(fù)載識(shí)別等方面做了卓有成效的研究。文獻(xiàn)[21]提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件，指出要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，初級(jí)和次級(jí)的補(bǔ)償諧振頻率必須相等并且是惟一的，以阻抗相角為零作為諧振的判據(jù)。

1.3 應(yīng)用場(chǎng)合和前景

感應(yīng)耦合電能傳輸彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能傳輸?shù)墓逃腥毕?，因此具有很好的?yīng)用前景。文獻(xiàn)[2]總結(jié)了感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)膸追N應(yīng)用，主要應(yīng)用于不適宜接觸連接的危險(xiǎn)環(huán)境，如潮濕、水下、危險(xiǎn)氣體和灰塵環(huán)境中；植入醫(yī)療設(shè)備的供電，如人造器官如腎、肝和心臟，聽(tīng)力輔助設(shè)備，心臟起搏器等；非接觸電池充電以提高可靠性，如電動(dòng)剃須刀、電動(dòng)牙刷、以及機(jī)器人的非接觸供電，新西蘭奧克蘭大學(xué)在電動(dòng)汽車(chē)非接觸充電方面作出了卓越的貢獻(xiàn)[4]，并且與英國(guó)一家公司合作，已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)階段；在軌道交通，甚至于磁懸浮列車(chē)等大功率非接觸供電領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。

但感應(yīng)耦合電能傳輸受傳輸距離、空間位置和障礙物等的影響而限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合，比較適合于固定負(fù)載和距離的情況，特別是在電動(dòng)汽車(chē)充電與智能電網(wǎng)結(jié)合方面有很好的前景。

2 諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸

在物理學(xué)的定義中，共振是指兩個(gè)或多個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體，當(dāng)一個(gè)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，引起另外物體以最大振幅振動(dòng)的現(xiàn)象。諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸正是基于這種原理的電能傳輸方式，在電路上習(xí)慣叫諧振。

2.1 近場(chǎng)區(qū)的概念

電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周?chē)臻g及輻射源之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱(chēng)為感應(yīng)場(chǎng)；另一部分電磁場(chǎng)能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱(chēng)為輻射場(chǎng)。一般情況下，也分成感應(yīng)近場(chǎng)、非輻射近場(chǎng)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)。非輻射近場(chǎng)在λ/2π范圍以?xún)?nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沒(méi)有確定的比例關(guān)系，相位相差90°，電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩，在一個(gè)周期內(nèi)，場(chǎng)源供給場(chǎng)的能量等于從場(chǎng)返回場(chǎng)源的能量，所以沒(méi)有能量向外輻射，類(lèi)似于回音壁模式[7]，是一個(gè)儲(chǔ)能場(chǎng)。諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸正是利用近場(chǎng)性質(zhì)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式，在中等距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。

2.2 基本原理和模型

諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸利用電磁近場(chǎng)共振耦合，把能量以“隧道”的形式從一個(gè)諧振器高效地傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)諧振器，而不與或很少與非諧振物體發(fā)生能量交換。理論上未被負(fù)載吸收部分的能量會(huì)返回發(fā)射端，從而不會(huì)對(duì)效率造成影響[22]。耦合模理論（Coupled-Mode Theory，CMT）是適合于分析中等距離近場(chǎng)高品質(zhì)因數(shù)諧振耦合規(guī)律的方法，但不適用于非常近距離的耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射耦合[9]?？梢杂靡唤M一階微分方程來(lái)描述[5]：

式中，場(chǎng)值am(t)用來(lái)表示諧振器m含有的能量|am(t)|2；ωm表示諧振器m的角頻率；Γm表示損耗率；κnm表示耦合率，體現(xiàn)能量的傳輸速率；Fm(t)表示驅(qū)動(dòng)源。Γmam體現(xiàn)了損耗的能量，κnman體現(xiàn)了兩個(gè)諧振器之間的能量交換。

典型的耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)如圖5所示。其中，發(fā)射線(xiàn)圈S 和接收線(xiàn)圈D 參數(shù)完全相同。所謂中等距離指的是無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)木嚯x至少是裝置尺寸的2～3 倍[5]。此系統(tǒng)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)距離改變?chǔ)蔛、κ和κd實(shí)現(xiàn)阻抗匹配來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。MIT 研究表明，如果能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗自動(dòng)匹配，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈可以分別與驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載直接連在一起，取消驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈[5]。只考慮發(fā)射和接收線(xiàn)圈，此系統(tǒng)可以描述為

式中，ω0為單個(gè)線(xiàn)圈的固有頻率，且ΓS=ΓD=Γ，可得到場(chǎng)值的表達(dá)式為

由d|aD|/dω=0 可知當(dāng)ω=ω0±(κ2-Γ2)1/2時(shí)，場(chǎng)值|aD|有最大值，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生諧振。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)的諧振頻率偏離了單個(gè)諧振器的固有頻率，并且隨著耦合率κ的變化而變化。兩個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)于MIT的奇模式和偶模式[10]，如圖6所示。仿真參數(shù)為：固有諧振頻率f0=10MHz，損耗率Γ=400/s，ΓW=2×104/s，耦合率κ=0.2×106/s。當(dāng)耦合率κ較小時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)裂頻的現(xiàn)象，兩個(gè)頻率點(diǎn)合為一條曲線(xiàn)。

圖5 諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)的效率的表達(dá)式為

相應(yīng)的效率-頻率曲線(xiàn)如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)工作頻率ω=ω0時(shí)，效率最大。把式（6）代入式（7），或根據(jù)能量守恒（發(fā)射線(xiàn)圈傳輸?shù)浇邮站€(xiàn)圈的能量等于接收線(xiàn)圈和負(fù)載損耗的能量），即

可得

圖6 頻率分裂

圖7 效率-頻率曲線(xiàn)

當(dāng)ΓW/ΓD=[1+κ2/(ΓSΓD)]1/2時(shí)，效率最高?？梢?jiàn)，最高效率只與強(qiáng)耦合參數(shù)κ/Γ有關(guān)[10]，則

顯然，提高效率的關(guān)鍵在于使κ/Γ＞＞1，即所謂的強(qiáng)耦合條件[5]。κ/Γ是距離和頻率的函數(shù)，其典型范圍為1～50，相應(yīng)的效率曲線(xiàn)如圖8所示?？梢?jiàn)，最低效率大于17%，具備一定的實(shí)用價(jià)值。

圖8 最大效率曲線(xiàn)

以磁諧振為例，對(duì)于空間螺旋線(xiàn)圈，可以用一個(gè)集總參數(shù)電感L和電容C來(lái)描述線(xiàn)圈的分布參數(shù)，則可以確定線(xiàn)圈的自諧振頻率（ωS=ωD=ω0）為：ω0=1/(LC)1/2。

線(xiàn)圈的損耗主要是歐姆電阻損耗Ro和輻射損耗Rr，則可得到參數(shù)Γ=(Ro+Rr)/(2L)和線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)Q=ω0/(2Γ)。

根據(jù)耦合模理論，可得耦合率κ=ωM/[2(LSLD)1/2]。利用以上的分析結(jié)果，對(duì)歐姆電阻損耗和輻射損耗做了平衡優(yōu)化，確定系統(tǒng)的理想頻率范圍為1～50MHz[5]。

把Γ=(Ro+Rr)/(2L)和κ=ωM/[2(LSLD)1/2]的參數(shù)代入式（9），得到效率的表達(dá)式為

式中，R=Ro+Rr，RW為等效到接收線(xiàn)圈的電阻。分析結(jié)果與SS 型的結(jié)論一致。

再次根據(jù)式（7），得到負(fù)載功率的表達(dá)式

上式對(duì)ΓW/Γ求導(dǎo)，可得當(dāng)ΓW/Γ=1 時(shí)，即RW=R，輸出功率最大

此時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸效率為

由式（14）可以得出結(jié)論，傳輸功率最大時(shí)，隨著FOM 的增大，效率最大為50%，結(jié)論與SS 型的結(jié)論一致。

從上面我們證明了SS 型可以作為研究諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)哪Ｐ汀Ｎ墨I(xiàn)[23]、[24]分析了多個(gè)諧振線(xiàn)圈的模型。以4 個(gè)線(xiàn)圈為例，由于發(fā)射線(xiàn)圈S 和接收線(xiàn)圈D 之間的距離比較遠(yuǎn)，因此它們之間的耦合系數(shù)kSD是非常小的。假設(shè)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈之間的耦合系數(shù)為kPS，接收線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈之間的耦合系數(shù)為kDL，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，如果參數(shù)kPSkDL/kSD=1，那么耦合效率將達(dá)到100%（注意不是無(wú)線(xiàn)電能傳輸效率）。因此，雖然kSD由于距離比較遠(yuǎn)而很小，但可以通過(guò)調(diào)整kPS和kDL使參數(shù)kPSkDL/kSD=1。這就是諧振耦合在線(xiàn)圈距離較遠(yuǎn)甚至線(xiàn)圈相互垂直時(shí)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)能量高效傳輸?shù)脑颉?/p>

2.3 關(guān)鍵問(wèn)題

諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸存在以下關(guān)鍵問(wèn)題：

1）選擇適當(dāng)?shù)闹C振頻率確定線(xiàn)圈的尺寸。系統(tǒng)頻率波長(zhǎng)λ、傳輸距離D和線(xiàn)圈半徑r之間存在相互制約關(guān)系[25]，是設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題。由于目前的空心線(xiàn)圈的高頻參數(shù)的計(jì)算不太準(zhǔn)確，導(dǎo)致諧振頻率的偏差，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。用Ansoft 軟件進(jìn)行仿真或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)得到線(xiàn)圈的參數(shù)也是可行的方法。

2）阻抗匹配對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率有很大的影響。文獻(xiàn)[26]通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸效率，可以進(jìn)一步設(shè)想：如果能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配，不僅能夠提高效率，而且能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)裝置[22]。

3）諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)同樣存在可靠性的問(wèn)題，而且系統(tǒng)失諧會(huì)導(dǎo)致效率的急劇下降。文獻(xiàn)[27-29]提出頻率跟蹤控制的方法，較好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

4）必須解決系統(tǒng)的輻射和電磁干擾問(wèn)題，并且MHz 級(jí)頻率是個(gè)難控制的公用頻段[25]。為了提高效率而增大強(qiáng)耦合參數(shù)κ/Γ的代價(jià)是提高了系統(tǒng)的輻射水平。文獻(xiàn)[8]在量子干涉現(xiàn)象的電磁感應(yīng)透明原理的啟發(fā)下，通過(guò)引進(jìn)中繼線(xiàn)圈和有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)發(fā)射和接收線(xiàn)圈，使耦合率κ隨時(shí)間變化，在提高傳輸效率的同時(shí)大大降低了輻射水平。

2.4 應(yīng)用場(chǎng)合和未來(lái)前途

諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式不受空間角度、位置，中間障礙物的影響，可以同時(shí)給多個(gè)負(fù)載供電，并且可以設(shè)計(jì)中繼線(xiàn)圈以提高傳輸距離和效率。因諧振耦合的頻率是亞波長(zhǎng)，在空間中產(chǎn)生的主要是磁場(chǎng)，對(duì)人體基本上沒(méi)有反應(yīng)，適合在家居中可構(gòu)成小型的無(wú)線(xiàn)充電網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)可以為移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦、MP3 播放器等充電。在自動(dòng)化工廠(chǎng)中可以為機(jī)器人提供電源，甚至可以為納米機(jī)器人供電。而且應(yīng)用于植入式醫(yī)療設(shè)備也優(yōu)于感應(yīng)耦合方式。甚至人們?cè)O(shè)想在公路兩旁裝設(shè)共振天線(xiàn)，向過(guò)往的汽車(chē)供電[30]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膽?yīng)用將會(huì)給人們的生活帶來(lái)巨大的變革。

3 兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式比較總結(jié)

以下對(duì)兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式進(jìn)行總結(jié)：

1）原理不同。感應(yīng)耦合基于電磁感應(yīng)定律，采用互感模型，系統(tǒng)工作是因?yàn)殡娏鞯淖兓a(chǎn)生磁場(chǎng)耦合的結(jié)果。而諧振耦合是基于電場(chǎng)或磁場(chǎng)的共振原理，從物理的耦合模理論出發(fā)，推導(dǎo)了高效電能傳輸?shù)臈l件，而把電氣參數(shù)當(dāng)作中間變量。文獻(xiàn)[27，31-32]認(rèn)為諧振耦合是感應(yīng)耦合的特例，也就是說(shuō)諧振耦合是感應(yīng)耦合當(dāng)系統(tǒng)線(xiàn)圈處于諧振狀態(tài)時(shí)的情況，并建立了互感電路模型，得到與SS 型感應(yīng)耦合相同的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

2）諧振耦合必須滿(mǎn)足發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈都處于自諧振的狀態(tài)，而感應(yīng)耦合只是從減小系統(tǒng)無(wú)功容量的目的出發(fā)，推導(dǎo)出了優(yōu)化的補(bǔ)償電容取值，此時(shí)的諧振頻率并不是單個(gè)線(xiàn)圈的固有頻率，而諧振耦合的工作頻率是線(xiàn)圈的固有頻率。在SS 型中推導(dǎo)出了與諧振耦合相同的條件，與MIT 推薦的電路模型一致，但是此時(shí)的SS 型電路是諧振耦合，偏離諧振頻率則為感應(yīng)耦合。這是感應(yīng)耦合與諧振耦合的重要的區(qū)別。

3）傳輸距離的差異。感應(yīng)耦合發(fā)生在比較近的距離，1cm 內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百kW 的電能傳輸，幾十厘米也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，但發(fā)射和接收線(xiàn)圈處于同軸并且之間不能有障礙物；而諧振耦合發(fā)生在非輻射近場(chǎng)范圍內(nèi)，不受空間位置和角度以及障礙物的影響，突破了感應(yīng)耦合電能傳輸距離的限制，但是傳輸?shù)墓β氏鄬?duì)較小。

由以上分析可知，正因?yàn)榇嬖谝陨系牟煌?，?dǎo)致感應(yīng)耦合和諧振耦合應(yīng)用場(chǎng)合的差異。理解兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膮^(qū)別對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)提供很好的參考價(jià)值，對(duì)于不同場(chǎng)合采用哪種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方案提供一些建議。

4 結(jié)論

感應(yīng)耦合和諧振耦合是極具實(shí)用性和發(fā)展前景的無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式。本文分析了兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式的基本原理和模型，并推導(dǎo)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，指出它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)存在的關(guān)鍵問(wèn)題和之間存在的差異。感應(yīng)耦合更適合在非常近距離實(shí)現(xiàn)能量的高效非接觸傳輸，而諧振耦合因不受空間角度和障礙物的影響，適合于在中等距離范圍內(nèi)的諧振裝置之間的能量傳輸。分析的結(jié)果為兩種無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。

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