劉 耀， 肖晉宇， 趙小令， 吳佳瑋， 杜宇維， 趙宇霏， 王賀陽， 王振興

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司， 北京 100031； 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織， 北京 100031； 3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，全球能源互聯(lián)網(wǎng)旨在為人類提供清潔可持續(xù)的低碳零碳能源，大幅提高全社會電氣化水平。如今，用電設(shè)備無處不在，不斷地提高人們生活質(zhì)量以及推動各行各業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)的電能傳輸需要借助于導(dǎo)線，然而伴隨著社會電氣化程度的提高，人們希冀開發(fā)出更為靈活、便捷的無線電能傳輸技術(shù)[1,2]。

無線電能傳輸由誕生到今天經(jīng)歷了120多年的發(fā)展，從一個(gè)美好的構(gòu)想演變?yōu)橐婚T擁有豐富理論與實(shí)踐基礎(chǔ)的技術(shù)。如圖1所示，無線電能傳輸技術(shù)根據(jù)不同的電能傳輸機(jī)理可被劃分為磁場耦合式、電場耦合式、微波式、激光式和超聲式五大類，可實(shí)現(xiàn)不同距離和功率等需求的能量傳輸。

圖1 無線電能傳輸技術(shù)分類及特點(diǎn)Fig.1 Classification and characteristics of wireless power transmission technology

2 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程

為梳理無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，本文分別對磁場耦合式、電場耦合式、微波式、激光式和超聲式五類無線傳能技術(shù)的國內(nèi)外研究歷程展開綜述。

2.1 磁場耦合式

2.1.1 國外研究歷程

無線電能傳輸領(lǐng)域的開創(chuàng)者是偉大的電氣工程師尼古拉·特斯拉。早在1895年，特斯拉在美國紐約第五大道實(shí)驗(yàn)室中就通過磁場耦合式無線傳能技術(shù)成功地隔空點(diǎn)亮燈泡，這也是世界上首次無線傳能實(shí)驗(yàn)[3]。其實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)磁場耦合式自激勵振蕩無線電能傳輸裝置[4]。首先，電源通過特斯拉變壓器為諧振電容充電，當(dāng)諧振電容兩端的電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，放電間隙(氣隙)會被擊穿，這時(shí)變壓器的副邊相當(dāng)于短路，電容C與初級線圈P產(chǎn)生自激勵振蕩，即初級電路發(fā)生諧振，諧振頻率由可調(diào)電容與可調(diào)初級線圈決定。同時(shí)相隔數(shù)米遠(yuǎn)的次級線圈S感應(yīng)到初級線圈P產(chǎn)生的磁場，在次級電路中產(chǎn)生電能并為燈泡供電。

圖2 特斯拉隔空點(diǎn)亮燈泡原理圖Fig.2 Schematic of Tesla’s experiment

1898年，特斯拉在美國的科羅拉多斯普林斯觀測到雷電產(chǎn)生的電信號可以傳輸極遠(yuǎn)的距離且衰減很小，由此推斷電能可以遠(yuǎn)距離隔空傳輸，從而正式提出了無線電能傳輸?shù)母拍頪5]。然而，受限于早期的理論以及器件的限制，磁場耦合式無線電能傳輸技術(shù)在當(dāng)時(shí)并未得到進(jìn)一步的發(fā)展。

直到1970年，隨著半導(dǎo)體器件的突破，磁場耦合式無線電能傳輸技術(shù)逐漸受到人們的重視。1971年，新西蘭奧克蘭大學(xué)的Don Otto教授成功通過磁場耦合式無線傳能技術(shù)為小車供電。1990年，新西蘭奧克蘭大學(xué)的John Boys教授團(tuán)隊(duì)研制的磁場耦合式無線傳能裝置使多輛汽車能夠在同一個(gè)無線電能傳輸裝置上充電運(yùn)行。1996年，奧克蘭聯(lián)合服務(wù)公司在新西蘭開發(fā)了一種基于磁場耦合式無線電能傳輸?shù)碾妱庸卉囯娏ο到y(tǒng)(30～60 kW)，John Boys教授團(tuán)隊(duì)被委托在華卡雷瓦制造了世界上的第一輛商業(yè)無線電能傳輸巴士。

2007年，美國麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic通過在磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)中引入諧振結(jié)構(gòu)，成功以40%的能量傳輸效率點(diǎn)亮2 m外的燈泡[6]。

2008年美國英特爾公司研究團(tuán)隊(duì)使用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)研發(fā)出一款可在中遠(yuǎn)距離進(jìn)行無線充電的裝置，能夠?yàn)? m范圍內(nèi)的中小型功率的設(shè)備供電，傳輸功率為60 W，最大傳輸效率可以達(dá)到75%，能夠同時(shí)傳輸能量與信號[7]。同年，美國加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)面向便攜式移動設(shè)備展開三維空間的無線電能傳輸技術(shù)研究，能夠?yàn)?5 cm內(nèi)任意位置的用電設(shè)備傳輸3 W的功率[8]。

2009年，德國龐巴迪公司投入電動汽車無線充電領(lǐng)域并提出了PRIMOVE技術(shù)，為電動汽車提供動態(tài)和靜態(tài)兩種充電方式，并且系統(tǒng)在動態(tài)充電時(shí)仍然有著較高的充電效率。其快速充電設(shè)備在10～30 s內(nèi)最高充電功率可達(dá)400 kW，可以大幅度減輕公交樞紐的充電壓力[9]。

2012年，日本東京大學(xué)在傳輸距離200 mm的條件下，以96%的效率為電動車傳輸了100 W電能[10]。日本埼玉大學(xué)采用H型磁心雙面繞組構(gòu)造，在傳輸距離70 mm的條件下，傳輸1.5 kW電能，傳輸效率超過93%[11,12]。

2017年，美國斯坦福大學(xué)提出了一個(gè)基于宇稱-時(shí)間原理的傳能系統(tǒng)，當(dāng)傳輸距離在1 m的范圍內(nèi)變化時(shí)，傳輸效率仍能保持恒定[13]。

2020年，韓國學(xué)者將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于耦合線圈，設(shè)計(jì)了一種可將無線電能傳輸效率最大化的螺旋型超導(dǎo)共振線圈[14]。

2021年，美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)提出了一種適用于電動汽車的動態(tài)磁場耦合式電能傳輸系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[15]。同年，新西蘭奧克蘭大學(xué)提出了一種采用陣列式電感線圈的傳能系統(tǒng)，可為移動狀態(tài)下的電動汽車提供3.3 kW的充電功率[16]。

2.1.2 國內(nèi)研究歷程

國內(nèi)有關(guān)磁場耦合式無線傳能技術(shù)的開展較晚，但由于近年來我國在電動汽車行業(yè)投入大量資源，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與政策，這為磁場耦合式無線電能傳輸?shù)难芯刻峁┝藰O大的支持和幫助。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授、宋凱團(tuán)隊(duì)通過將磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)的發(fā)射線圈通過并聯(lián)的方式分別置于多段導(dǎo)軌中，從而實(shí)現(xiàn)對移動狀態(tài)下的電動汽車無線供電。該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提升了25%的輸出功率和7%的效率[17]。王懿杰教授團(tuán)隊(duì)針對電動汽車的抗偏移特性展開了深入研究，并設(shè)計(jì)了一款采用LCC-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及偏平螺旋線管形狀磁耦合結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)允許在0.2 m的偏移誤差內(nèi)恒壓輸出150 V。

天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授科研團(tuán)隊(duì)在磁屏蔽、線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及耦合結(jié)構(gòu)等方面做出了大量的研究。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出大功率傳輸設(shè)備，無線充電系統(tǒng)能夠?qū)? m內(nèi)的電動汽車進(jìn)行30 kW的功率傳輸，效率高達(dá)92%。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)出一套風(fēng)能和太陽能結(jié)合的無線供電方式為電動汽車供電，同時(shí)還提出將該技術(shù)應(yīng)用于高速列車的構(gòu)想，未來將有望實(shí)現(xiàn)高鐵無線供電[19]。

浙江大學(xué)的陳鷹教授團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)，于4 000 m水深中連接90 V直流電源，以90%的效率傳輸400 W以上電能；王海洋團(tuán)隊(duì)通過感應(yīng)耦合式技術(shù)以93%的效率傳輸400 W以上電能；陸晴云團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化設(shè)計(jì)水下無線電能傳輸系統(tǒng)中，以90%的效率傳輸400 W左右電能[20]。

西南交通大學(xué)在軌道交通無線電能傳輸方向做了大量的工作[21]，圖3為該團(tuán)隊(duì)研制的分段式軌道供電系統(tǒng)，該軌道帶有8個(gè)分布式供電裝置，全長40 m，全程能以85%的效率傳輸20 kW。

圖3 高速列車無線充電系統(tǒng)樣機(jī)圖Fig.3 Prototype of high-speed train wireless charging system

國內(nèi)很多企業(yè)今年來也加入到電動汽車磁場耦合式無線電能傳輸?shù)难芯俊?014年，中興新能源汽車研制的電動汽車無線充電系統(tǒng)輸出功率達(dá)到60 kW，效率高達(dá)90%[22]。中惠創(chuàng)智、有感科技等公司也相繼完成數(shù)十千瓦級別的電動汽車無線充電裝置研發(fā)，效率均高達(dá)90%，可以滿足多種電動汽車的充電需求[23]。

2.2 電場耦合式

2.2.1 國外研究動態(tài)

1962年，美國電氣工程師Paul致力于水下通信并提出電場耦合式無線電能傳輸方案，但當(dāng)時(shí)并未得到廣泛關(guān)注[24]。直到2008年，新西蘭奧克蘭大學(xué)呼愛國教授團(tuán)隊(duì)率先投入電場耦合式無線電能傳輸?shù)难芯?，詳?xì)分析討論了其應(yīng)用場景、耦合機(jī)理、穩(wěn)態(tài)特性、控制策略等問題。隨后，世界各國也紛紛展開對電場耦合式無線電能傳輸?shù)奶剿骱蛯?shí)驗(yàn)。

2011年，美國加州大學(xué)的Mitchell Kline開始研究電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了小型氣隙電容器樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高效無線電能傳輸。另外，其設(shè)計(jì)的自動調(diào)諧回路能夠確保電路在不同的耦合電容和負(fù)載條件下以最佳頻率和最大效率運(yùn)行[25]。

2014年，美國的Ludios極大地提高了電場耦合無線傳能系統(tǒng)的傳輸功率，首次達(dá)到了千瓦的級別[26]，然而傳輸距離仍為毫米尺度。

2015年，美國密歇根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將電場耦合式電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于電動汽車無線充電領(lǐng)域，采用四塊銅片設(shè)計(jì)了一款氣隙距離為150 mm的電場耦合式充電系統(tǒng)，在2.4 W的輸出功率下能達(dá)到90%的效率。在發(fā)生300 mm的偏差下，輸出功率下降為2.1 kW，傳輸效率幾乎不變。該工作充分證明了電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)大間距高功率的能量傳輸，還具備極強(qiáng)的抗偏移特性[27]。該團(tuán)隊(duì)后來又提出雙邊CLLC拓?fù)?，將傳輸功率進(jìn)一步提高至2.9 kW。2018年，該團(tuán)隊(duì)提出了一種為電動汽車無線充電的兩極板電場耦合無線傳能方案，利用汽車底盤與大地雜散耦合構(gòu)建電流的返回路徑，工作頻率6.78 MHz，實(shí)現(xiàn)3 kW的能量傳輸[28]。

2022年，新西蘭奧克蘭大學(xué)發(fā)現(xiàn)耦合電容間的復(fù)雜交叉耦合是影響系統(tǒng)諧振和功率傳遞性能的主要因素，于是設(shè)計(jì)了一種基于共享電感的解耦電路及相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，成功將系統(tǒng)傳輸功率提高一倍[29]。

2.2.2 國內(nèi)研究動態(tài)

國內(nèi)對該技術(shù)的理論研究最早由重慶大學(xué)的蘇玉剛教授團(tuán)隊(duì)于2009年開展，在電路補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、能量信號并行傳輸、拓?fù)鋬?yōu)化及建模分析等方面取得了一定成果。此外，還有大連理工大學(xué)、西南交通大學(xué)等高校的學(xué)者紛紛展開研究。

大連理工大學(xué)陳希有教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為電流型電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸電流不易受到耦合電容和負(fù)載等參數(shù)變化的影響，系統(tǒng)輸出更加穩(wěn)定[30]。另外，該團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了基于特斯拉變壓器的空間電場耦合單導(dǎo)線電力傳輸系統(tǒng)，分別在室內(nèi)室外開展了測試試驗(yàn)，傳輸距離為30 m，輸出功率達(dá)到了80 W[31]。

重慶大學(xué)在四板雙端口電容耦合模型的基礎(chǔ)上，建立了交叉耦合電容和端口電容的數(shù)學(xué)模型，并通過多目標(biāo)參數(shù)對電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終系統(tǒng)傳輸功率達(dá)到252.3 W，傳輸效率高達(dá)87.1%[32]。

北京交通大學(xué)為了節(jié)省電動汽車內(nèi)部空間，提出了一種用于大氣隙電場耦合式電能傳輸?shù)乃陌寰o密型電容耦合器及其電路模型。該系統(tǒng)能夠以85.97%的效率傳輸1.88 kW的功率[33]。為了增大電場耦合無線傳能系統(tǒng)的傳輸距離，該團(tuán)隊(duì)在四極板雙端口電場耦合無線傳能的基礎(chǔ)上引入了中繼極板，該系統(tǒng)傳輸功率為150 W，傳輸效率達(dá)到66.9%，傳輸距離增加至360 mm。這一改進(jìn)極大提高了電場耦合無線傳能系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸距離[34]。

中國礦業(yè)大學(xué)從電能傳輸特性的角度對相同環(huán)境下的電場耦合式能量傳輸與磁場耦合式無線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行了比較分析，并給出了不同環(huán)境下無線電能傳輸技術(shù)的選擇依據(jù)[35]。

昆明理工大學(xué)李思奇教授團(tuán)隊(duì)將電場耦合無線傳能系統(tǒng)應(yīng)用到軌道交通設(shè)備的無線充電中，利用車輪與軌道的金屬連接作為電流返回路徑，構(gòu)建一個(gè)兩極板的電場耦合無線傳能系統(tǒng)，工作頻率為2 MHz，能夠以91%效率實(shí)現(xiàn)0.7 kW的能量傳輸[36]。

2.3 微波式

2.3.1 國外研究動態(tài)

在1930～1980年期間，人們主要對微波式無線電能傳輸技術(shù)展開了大量的研究和實(shí)驗(yàn)。1930年，西屋公司研制了一套無線電能傳輸裝置，能夠發(fā)射數(shù)百瓦的微波點(diǎn)亮10 m內(nèi)的燈泡[37]。1958年，雷神公司聯(lián)合美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)等研究中心成立了自由空間微波功率傳輸項(xiàng)目，并對直升機(jī)微波充電系統(tǒng)展開研究。1964年，雷神公司與美國空軍演示了直升機(jī)微波充電系統(tǒng)，直升機(jī)僅通過微波無線電能傳輸在15 m左右高度成功連續(xù)飛行10 h。1968年，隨著微波式無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，Peter Glaser博士提出了具有重要意義的太陽能衛(wèi)星概念[37,38]。他建議在地球同步軌道上捕獲太陽的能量，將其轉(zhuǎn)化為微波能量并發(fā)射到地球，然后轉(zhuǎn)化為可利用的電能。后續(xù)很多微波能量傳輸技術(shù)的突破都是基于該概念完成的。1973年，太陽能衛(wèi)星成為一個(gè)重要的研究方向，NASA、雷神公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和劉易斯研究中心(現(xiàn)格倫研究中心)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。1975年，該實(shí)驗(yàn)在莫哈韋沙漠完成，288平方英尺的大型整流天線陣列接收到了來自1.6 km外的2.388 GHz的微波能量，并成功輸出了高達(dá)30 kW的直流功率。在1977～1980年期間，NASA和美國能源部合作，進(jìn)一步評估太陽能衛(wèi)星計(jì)劃為地球上的消費(fèi)者提供價(jià)格合理能源的可能性。研究完成了一份長達(dá)670頁的報(bào)告文件，文件闡明太陽能衛(wèi)星是一項(xiàng)切實(shí)可行的計(jì)劃，應(yīng)該在未來實(shí)施進(jìn)一步研究。然而，NASA贊助的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)在1980年就終止了，太陽能衛(wèi)星相關(guān)的研究告一段落，美國在太陽能衛(wèi)星領(lǐng)域的主導(dǎo)地位也就此結(jié)束了[39]。

2000年，日本在微波電能傳輸技術(shù)上的研究迎來新的高峰，京都大學(xué)學(xué)者在SPRITZ項(xiàng)目中首次實(shí)現(xiàn)了全集成太陽能-微波能量發(fā)射裝置，能將接收到的166 W太陽能轉(zhuǎn)換為5.77 GHz/25 W的微波功率輸出，傳輸后由1 848個(gè)獨(dú)立整流天線實(shí)現(xiàn)整流，并點(diǎn)亮LED陣列[40]。

2001年，法國科學(xué)家花費(fèi)100萬$搭建了一個(gè)微波式無線能量傳輸系統(tǒng)，傳輸功率能夠達(dá)到17.5 kW，傳輸距離為700 m，實(shí)現(xiàn)了10 kW級微波無線電能的傳輸[41]。

2008年，美宇航局的科學(xué)家在相距148 km的毛依島和夏威夷主島之間實(shí)現(xiàn)了20 W的微波無線傳輸，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微波式能量傳輸技術(shù)將太陽能從衛(wèi)星傳回地球的可行性。該實(shí)驗(yàn)是目前距離最遠(yuǎn)的微波電能傳輸實(shí)驗(yàn)，但該系統(tǒng)的傳輸效率不足0.1%，輸出功率僅達(dá)到μW量級[42]。

2015年，日本三菱科研人員利用微波將10 kW能量發(fā)射到500 m外的接收裝置上，并成功點(diǎn)亮接收側(cè)的展示燈。該團(tuán)隊(duì)宣布在未來二十年內(nèi)將該技術(shù)應(yīng)用于空間太陽能電站[43]。

2.3.2 國內(nèi)研究動態(tài)

1994年，中國微波之父林為干院士闡述了微波式電能傳輸技術(shù)的基本原理與研究進(jìn)展，并分析了該技術(shù)在現(xiàn)代化建設(shè)中的重要意義[44]。2005年上海大學(xué)通過微波供能系統(tǒng)不僅成功實(shí)現(xiàn)管道探測機(jī)器人的無纜供電，還解決了不銹鋼管道影響微波傳輸?shù)膯栴}[45]。華南理工大學(xué)章秀銀團(tuán)隊(duì)對微波電能傳輸技術(shù)的研究較為全面，其主要應(yīng)用目標(biāo)為“信能同傳”，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用中極具前景[46,47]。2013年，四川大學(xué)搭建了千米千瓦級微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，其進(jìn)行電能無線傳輸?shù)目傂蔬_(dá)到5.71%，對國內(nèi)在微波無線電能傳輸領(lǐng)域的探索具有重要意義[1,48]。2021年，中國電力科學(xué)院研制十米級微波傳能樣機(jī)，準(zhǔn)備應(yīng)用到高空無人機(jī)、桿塔監(jiān)控設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等小功率、中遠(yuǎn)距離場景中，實(shí)現(xiàn)隔空能量補(bǔ)給。

2.4 激光式

2.4.1 國外研究動態(tài)

激光式無線電能傳輸最初是由NASA為實(shí)現(xiàn)太陽能衛(wèi)星計(jì)劃而提出的，但當(dāng)時(shí)受限于激光器和光伏電池等器件效率低下的原因，該技術(shù)發(fā)展較慢，難以實(shí)際應(yīng)用。直到20世紀(jì)末21世紀(jì)初，隨著高功率激光器的長足發(fā)展和高效率光伏電池技術(shù)的發(fā)展，激光式無線電能傳輸技術(shù)再次得到關(guān)注。

1997年，日本近畿大學(xué)開始研究激光能量傳輸系統(tǒng)并將其應(yīng)用到月球探測車上。該系統(tǒng)在月球環(huán)形山外圍收集太陽能，再以激光的形式將能量傳送給陰影處的探測車，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 000 m[49]。

2003年，NASA首次進(jìn)行了微型飛行器的激光無線供能飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中利用1 kW紅外激光器對15 m外微型飛行器表面的三結(jié)GaInP2光伏陣列(轉(zhuǎn)換效率17.7%)進(jìn)行照射，為微型飛行器提供了6 W的電力，使其持續(xù)飛行時(shí)間超過15 min[50]。

2006 年日本近畿大學(xué)展示了激光式無人機(jī)無線電能傳輸系統(tǒng)，并討論了微波無線能量傳輸在月球探測車、核事故救援機(jī)器人、激光風(fēng)箏飛機(jī)等應(yīng)用實(shí)例[51]。

2009年，美國Laser Motive展示了四旋翼直升機(jī)的激光供能懸停飛行試驗(yàn)，飛行時(shí)長達(dá)到12.5 h。2012年，該公司與Lockheed Martin共同完成小型無人機(jī)激光能量傳輸系統(tǒng)，用于美軍特種作戰(zhàn)部隊(duì)[52]。同年，又演示了一種新型激光充電系統(tǒng)，成功將激光式無人機(jī)無線電能傳輸系統(tǒng)的持續(xù)飛行時(shí)間延長到48 h以上[49]。

2016年，俄羅斯“能源”火箭航天公司成功通過激光向相距1.5 km的智能手機(jī)輸電。2021年，俄羅斯開展代號“鵜鶘”的太空實(shí)驗(yàn)，采用激光無線電能傳輸技術(shù)為環(huán)繞國際空間站的小型衛(wèi)星和航天器提供電能，未來還計(jì)劃從太空太陽能電站為地球的偏遠(yuǎn)地區(qū)或月球的探測車輸電[53]。

2.4.2 國內(nèi)研究動態(tài)

近年來，國內(nèi)多所高校和科研機(jī)構(gòu)投入到激光式無線電能傳輸技術(shù)研究，對大功率激光器、高效率光伏電池和激光大氣傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行深入研究。

2013年，清華大學(xué)提出了采用反饋諧振的激光能量傳輸系統(tǒng)及理論模型，能夠有效降低激光器的閾值電流和系統(tǒng)損耗[54]。

2013年，北京理工大學(xué)搭建了激光無線電能傳輸系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵參數(shù)。該系統(tǒng)能夠以18.1%的效率相隔10 m傳輸數(shù)瓦能量[55]。次年該團(tuán)隊(duì)又演示了百米級高功率激光傳輸系統(tǒng)，輸入功率達(dá)到24 W，整體傳輸效率為11.6%[56]。

2014年，山東航天電子技術(shù)研究所分別在兩艘飛艇上搭建激光無線傳能發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，演示兩艘飛艇在飛行過程中進(jìn)行激光傳能的實(shí)驗(yàn)。兩飛艇間距在50～100 m區(qū)間變化，飛行速率5 m/s，傳輸功率數(shù)十瓦，最高效率可達(dá)16%[57]。

2020年，南京航空航天大學(xué)對激光器和光伏電池在不同工作模式下的效率特性展開研究，發(fā)現(xiàn)通過控制激光輸入電流占空比能有效提高系統(tǒng)效率，同時(shí)還開展激光能量與信息同時(shí)傳輸?shù)难芯縖58]。

2.5 超聲式

2.5.1 國外研究動態(tài)

超聲式無線電能傳輸技術(shù)的起源最早可追溯到1931年，美國研究員Alexander Mclean Nicolson成為第一個(gè)使用壓電材料利用聲波進(jìn)行能量傳輸?shù)难芯空遊59]，發(fā)現(xiàn)了一種全新的能量傳輸方式。但此之后，超聲式無線電能傳輸技術(shù)長時(shí)間受限于壓電材料并未引起人們關(guān)注。1985年，美國紐約海倫海斯醫(yī)院的Cochran教授在生物醫(yī)學(xué)方向首先采用了超聲波無線電能傳輸技術(shù)[60]，通過在生物體內(nèi)植入壓電換能器，既能收集體外傳來的超聲波，又能收集生物體運(yùn)動產(chǎn)生的聲波能量。如今，國內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對超聲傳能系統(tǒng)進(jìn)行了更深入的研究，并實(shí)現(xiàn)了在醫(yī)療、航天、軍工等領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用。

2008年，NASA研究人員設(shè)計(jì)一套千瓦級超聲能量傳輸系統(tǒng)，是目前功率等級最高的超聲傳能實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置采用郎之萬超聲換能器作為超聲波的發(fā)射和接收裝置，經(jīng)過仿真優(yōu)化，該系統(tǒng)成功透過5 mm的金屬壁點(diǎn)亮10盞100 W燈泡，效率高達(dá)84%[61]。

2010年，以色列特拉維夫大學(xué)設(shè)計(jì)一套用于植入設(shè)備供電的超聲波能量傳輸裝置。在滿足人體組織安全極限情況下，該裝置可透過40 mm厚生物組織向植入設(shè)備傳輸70 mW功率，效率可達(dá)27%[62]。

2012年，美國應(yīng)用物理科學(xué)研究公司研究了超聲傳能系統(tǒng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以及超聲能量與信號同步傳輸技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)能量與信號同時(shí)穿透63.5 mm厚的金屬墻，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到17 M/s，傳輸功率為50 W[63]。

2015年，新西蘭奧克蘭大學(xué)提出了一種新的超聲傳能系統(tǒng)建模方法以及等效電路，能夠有效計(jì)算系統(tǒng)功率傳輸特性[64]。

2020年，法國Vermon SA公司采用聲光層析重建方法得到了超聲傳能系統(tǒng)的聲壓場圖像，并探討了超聲換能器透過空氣向人體植入設(shè)備傳輸能量的可行性[65]。

2021年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室通過超聲發(fā)射陣列激發(fā)不同的蘭姆波振動模式，將聲功率通過管道表面?zhèn)鬟f到特定位置輸送能量，傳輸效率達(dá)到33%[66]。

2.5.2 國內(nèi)研究動態(tài)

2011年，東南大學(xué)首先在國內(nèi)開始探索超聲傳能技術(shù)在空氣中應(yīng)用的可行性。為了提高聲波在空氣中的透射率，該團(tuán)隊(duì)采用帶有輻射圓盤的壓電換能器搭建超聲傳能系統(tǒng)。該系統(tǒng)間隔從2 mm提升至20 mm時(shí)，傳輸效率由7%降至1%[67]。

2016年，大連理工大學(xué)開展水下超聲無線電能傳輸系統(tǒng)研究，詳細(xì)闡述設(shè)計(jì)思路及參數(shù)計(jì)算。另外，實(shí)驗(yàn)裝置采用特殊的1-3復(fù)合壓電換能器，使聲波更易于在水中傳輸。該系統(tǒng)發(fā)射端與接收端相隔6 cm，能以30%傳輸效率傳輸2.85 W功率[68]。

2017年，重慶大學(xué)搭建了隔金屬超聲能量傳輸系統(tǒng)，對比了發(fā)射側(cè)和接收側(cè)采用不同諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別，最終設(shè)計(jì)了一套采用LC-C拓?fù)涞某晜髂芟到y(tǒng)，效率最高可達(dá)46.9%[69]。

2021年，西安交通大學(xué)提出一種二維超聲無線電能傳輸?shù)刃щ娐纺Ｐ蚚70]，并開展水下超聲無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，采用聲阻抗匹配技術(shù)設(shè)計(jì)適配的水下超聲換能器，并通過仿真對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[71]。

3 無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用展望

無線電能傳輸技術(shù)使用電設(shè)備擺脫了傳統(tǒng)導(dǎo)線的限制，更加靈活、便捷的供電方式將對各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，是構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一。本文分別從電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、航空航天、水下探測、家居辦公以及醫(yī)療器械六個(gè)領(lǐng)域描述并展望具體應(yīng)用場景。表1為各項(xiàng)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

表1 各項(xiàng)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況Tab.1 Application of wireless power transmission technology in different fields

3.1 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)中的用電設(shè)備經(jīng)常會涉及隔離供電以及絕緣等問題。無線傳能技術(shù)種類較多，有適合近場大功率高效率傳能的磁場耦合式和電場耦合式電能傳輸技術(shù)，有適合穿透外殼且無電磁兼容問題的超聲式電能傳輸技術(shù)，還有適合遠(yuǎn)場的激光和微波無線傳能技術(shù)，隨著相關(guān)研究的深入，足以為電力系統(tǒng)提供更加貼合、可靠的供電方案。

3.1.1 輸電線路

為了提高電力系統(tǒng)的可靠性，輸電線路需要部署大量在線監(jiān)測設(shè)備，以實(shí)時(shí)監(jiān)測電線溫度、電纜振動、風(fēng)速、太陽輻照度、電纜電流和電壓等數(shù)據(jù)。為保證在線監(jiān)測系統(tǒng)長期在室外運(yùn)行，要求電源單元具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，高壓母線側(cè)的監(jiān)測設(shè)備通過電流互感器取電技術(shù)能夠得到較為穩(wěn)定的供電，但是高壓輸電桿塔側(cè)的設(shè)備由于電氣絕緣問題卻無法從輸電線路直接取電。因此，香港大學(xué)于2016年提出通過無線電能傳輸技術(shù)將母線側(cè)電流互感器的電力安全傳輸?shù)綏U塔側(cè)[72]，既能滿足監(jiān)測設(shè)備的供電需求，又能避免破壞輸電線路的絕緣性能，實(shí)現(xiàn)安全可靠的絕緣供電。2018年，武漢大學(xué)王軍華教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合輸電線路和輸電塔的運(yùn)行環(huán)境，從安裝位置、耦合結(jié)構(gòu)、驅(qū)動拓?fù)湓O(shè)計(jì)等方面提出整體方案。為了提高系統(tǒng)在高壓環(huán)境下的適應(yīng)性，提出了約束潮流路徑、提高系統(tǒng)質(zhì)量等優(yōu)化方法，成功設(shè)計(jì)出一款采用磁場耦合式無線傳能技術(shù)的絕緣子傳能系統(tǒng)[73]。如圖4所示，能量從絕緣子發(fā)射線圈處傳輸?shù)浇邮站€圈并成功點(diǎn)亮燈泡。該系統(tǒng)能夠在高壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行，并能為接收端的監(jiān)測設(shè)備提供16.7 W功率，傳輸距離為1.5 m，效率為15%。

圖4 絕緣子傳能實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Schematic of insulator power transmission experiment

3.1.2 變電站

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，電壓等級可以高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千千伏，這為其中電能變換單元的設(shè)計(jì)帶來了極大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以使基礎(chǔ)器件工作在高壓大電流的條件下，但是其配套的驅(qū)動單元供電仍存在問題。

瑞士ABB公司提出一種采用磁場耦合式無線傳能技術(shù)的方案，電源通過發(fā)射線圈對絕緣距離外的接收線圈供電，然后接收線圈將能量提供給驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動相應(yīng)的半導(dǎo)體器件工作，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號相互隔離[74]。但是該無線傳能系統(tǒng)體積較大，且只能一對一單獨(dú)供電，占用空間多。因此日本學(xué)者提出使用一個(gè)發(fā)射線圈為多個(gè)接收線圈連接的驅(qū)動模塊同時(shí)供電[75]。為了進(jìn)一步縮小無線傳能系統(tǒng)的體積，美國有學(xué)者提出分別將發(fā)射與接收線圈嵌入在PCB板內(nèi)部，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)氧灌封，保證系統(tǒng)的電氣絕緣性能[76]。另外，還有學(xué)者提出采用超聲電能傳輸技術(shù)的絕緣門驅(qū)動模塊電源[77]。超聲功率傳輸?shù)墓β拭芏容^大、結(jié)構(gòu)簡單，但是該模型在高壓環(huán)境中使用容易發(fā)生爬電擊穿，因此還需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

隨著高壓柔性直流電網(wǎng)工程的建設(shè)，對全控型半導(dǎo)體器件的需求越來越高，無線傳能技術(shù)可以更好地解決門驅(qū)動模塊供電困難的問題，提升高壓柔性直流系統(tǒng)的可控性和安全性，進(jìn)一步加快柔性直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3.1.3 電力巡檢

近年來，我國電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)張，為了確保電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)正常運(yùn)行，現(xiàn)已投入了大量的巡檢機(jī)器人和無人機(jī)來提高巡檢效率與準(zhǔn)確性。

為了提升巡檢機(jī)器人和無人機(jī)工作的可靠性、安全性與可持續(xù)性，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出建立巡檢機(jī)器人和無人機(jī)的無線充電樁，機(jī)器人和無人機(jī)可自主移動至充電點(diǎn)，通過無線方式補(bǔ)充電能，并在充電完成后繼續(xù)巡檢。2020年，北京交通大學(xué)還專門針對變電站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套動態(tài)無線充電系統(tǒng)[78]。該系統(tǒng)包括電能變換子系統(tǒng)和導(dǎo)軌切換子系統(tǒng)兩部分，電能變換子系統(tǒng)為變電站巡檢機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)高效率充電，導(dǎo)軌切換子系統(tǒng)則在巡檢機(jī)器人充電過程中提供準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)軌切換控制，有效提高了機(jī)器人的巡檢里程，減輕了所攜帶電池組的重量，減少了電力巡檢維護(hù)人員的工作量，推動電力巡檢工作向著更智能、更高效的方向發(fā)展。

2021年，日本東芝公司設(shè)計(jì)了一種面向機(jī)器人和無人機(jī)的磁場耦合式無線充電系統(tǒng)，并成功測試了無人機(jī)在該系統(tǒng)降落、快速充電、起飛以及高精度攝像等操作，展示了無線電能傳輸技術(shù)在遠(yuǎn)距離巡檢續(xù)航方面的巨大潛力[79]。

3.1.4 空間太陽能電站

目前，隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是空間運(yùn)載、航天器及太陽能電池等技術(shù)日益成熟，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家相繼開展了關(guān)于空間太陽能電站研發(fā)。當(dāng)前，我國能源日趨短缺的現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的矛盾也非常突出，從世界范圍內(nèi)能源開發(fā)利用的研究現(xiàn)狀看，通過建設(shè)空間太陽能電站解決能源供應(yīng)問題同樣是切實(shí)可行的途徑。

2015年，山東航天電子技術(shù)研究所提出了一種模塊化、分布式的激光無線傳能空間太陽能電站系統(tǒng)。2019年，美國投入1億$開發(fā)太陽能衛(wèi)星系統(tǒng)，用于向地球傳輸能量。另外，2018年我國正式開展空間太陽能電站項(xiàng)目，首個(gè)實(shí)驗(yàn)基地坐落在重慶璧山。2021年，該項(xiàng)目已搭建一套高空無線能量傳輸浮空平臺，未來該實(shí)驗(yàn)基地還會進(jìn)行大規(guī)模的發(fā)展和建設(shè)[1]。

3.2 交通運(yùn)輸

無線電能傳輸技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用分為電動汽車、軌道交通、物流運(yùn)輸和管道運(yùn)輸四個(gè)方面。

3.2.1 電動汽車

隨著電動汽車時(shí)代的到來，國內(nèi)外各大車廠商以及科研機(jī)構(gòu)等組織都在積極開展電動汽車無線充電技術(shù)的研究，并取得了顯著的成果。2018年8月，中國電科院宣布成功搭建181 m長的移動式無線充電路段，可為移動狀態(tài)下的電動汽車提供20 kW的無線充電。2018年國家電網(wǎng)公司對外發(fā)布了世界首條融合了動態(tài)無線充電、無人駕駛以及路面光伏發(fā)電三項(xiàng)前沿技術(shù)的“三合一”電子公路(如圖5所示)。該公路全長500 m，動態(tài)無線充電系統(tǒng)由重慶大學(xué)和東南大學(xué)合力研發(fā)[80-82]。

圖5 中國電科院動態(tài)無線充電項(xiàng)目與“三合一”電子公路Fig.5 Dynamic wireless charging project and “Three in one” electronic road

2020年，上汽實(shí)現(xiàn)了全球首次大功率無線充電電動汽車量產(chǎn)，讓電動汽車正式進(jìn)入“無線時(shí)代”。另外，人們還針對公交車站、交通路口等電動車短暫停留的場所展開了快速短時(shí)間靜態(tài)充電的研究。美國的Momentum Dynamics公司就面向這類應(yīng)用場景開發(fā)了多個(gè)無線充電系統(tǒng)，并已投入使用。

3.2.2 軌道交通

2015年，韓國鐵道研究院成功研發(fā)軌道列車無線充電系統(tǒng)，整個(gè)發(fā)射軌道長128 m，該系統(tǒng)能夠以82.7%效率傳輸1 MW功率[83]。日本鐵路技術(shù)研究所研制了一種軌道車輛非接觸式供電系統(tǒng)。其線圈結(jié)構(gòu)采用8字型線圈，有效降低軌道渦流損耗，為行駛過程中列車提供穩(wěn)定的傳輸功率[84]。2021年1月7日，西南交通大學(xué)的何正友教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)基于磁場耦合式的新型無線供電制式城軌車輛，該車輛在中車唐山廠成功下線意味著國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了城軌車輛 “有線”到“無線”的供電突破，打破了發(fā)達(dá)國家對城軌車輛無線供電的技術(shù)壟斷。該城軌車輛無線充電系統(tǒng)傳輸功率達(dá)到500 kW，在15 cm間隙下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率超過90%，如圖6所示。

圖6 國內(nèi)首臺無線電能傳輸城軌車輛Fig.6 China’s first wireless power system urban rail vehicle

3.2.3 物流運(yùn)輸

近年來，物流機(jī)器人在運(yùn)輸領(lǐng)域如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，越來越受到企業(yè)青睞。有學(xué)者提出基于智能物流倉儲機(jī)器人的無線充電系統(tǒng)[85]，該系統(tǒng)采用磁場耦合式無線傳能技術(shù)，在物流倉儲機(jī)器人工作路線下方鋪設(shè)發(fā)射線圈軌道，并在機(jī)器人內(nèi)部加裝無線充電接收裝置，從而保證機(jī)器人續(xù)航。還有學(xué)者面向物流無人機(jī)提出一種無線充電運(yùn)輸方案，當(dāng)無人機(jī)在運(yùn)輸過程中電量過低時(shí)通過GPS導(dǎo)航技術(shù)飛至最近的充電樁補(bǔ)充電量[86]。將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于物流運(yùn)輸領(lǐng)域，能夠有效增加無人機(jī)和機(jī)器人的工作續(xù)航，減少人力、物力的損耗，從而快速推進(jìn)現(xiàn)代物流走向智能化、無人化。

3.2.4 管道運(yùn)輸

相比于其他運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸通常密封在地下且相對堅(jiān)固，不僅可以實(shí)現(xiàn)資源的連續(xù)輸送，而且工作壽命也相對較長，運(yùn)輸更加環(huán)保和安全。如今，為了進(jìn)一步實(shí)時(shí)監(jiān)控管道健康狀況以及維護(hù)系統(tǒng)，很多研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了許多智能機(jī)器人來監(jiān)控及維護(hù)管道[87]。目前，管道機(jī)器人主要通過有線的方式與系統(tǒng)其他部分進(jìn)行連接，雖然也有無線工作模式，但是機(jī)器人在該模式下持續(xù)工作的時(shí)間有限，且必須在電量還有剩余時(shí)就要提前返回，避免中途電量耗盡導(dǎo)致無法返回。無線傳能技術(shù)可有效增加管道機(jī)器人的工作時(shí)間與可靠性，通過在管道外側(cè)定點(diǎn)建立無線充電區(qū)域，并將無線電能接收裝置置于機(jī)器人內(nèi)部，當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)，會自動前往充電區(qū)域補(bǔ)充電量，并在充滿電后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。另外，還可以為管道機(jī)器人增加雙向無線傳能功能，當(dāng)管道機(jī)器人途經(jīng)電量較低的傳感器時(shí)，可啟動反向無線充電為傳感器供電。從而有效避免管道內(nèi)部傳感器電池定期更換問題，極大地節(jié)省了人力物力。然而，管道傳感器及機(jī)器人無線充電的相關(guān)研究較少，還有待進(jìn)一步關(guān)注與發(fā)展。

3.3 航空航天

無線電能傳輸技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用分別從無人機(jī)、衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)供電和外星探測三個(gè)方向展開綜述。

3.3.1 無人機(jī)

無人機(jī)由于其隱蔽性好、造價(jià)低、可重復(fù)使用、操作靈活和易于起降等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航拍、新聞報(bào)道、安全巡檢等領(lǐng)域。在無人機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，續(xù)航時(shí)間長短一直是判斷無人機(jī)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

為了提升無人機(jī)的續(xù)航能力，美國的Lockheed Martin公司在2012年成功研發(fā)激光功率傳輸系統(tǒng)將無人機(jī)的飛行時(shí)間從2 h延長到48 h以上。2014年，我國航天科技集團(tuán)展示了高空中無人機(jī)對無人機(jī)進(jìn)行充電的技術(shù)[57]，充電距離維持在50～100 m，系統(tǒng)最大接收功率為13.43 W，效率為16.08%。2015年，美國科羅拉多大學(xué)研發(fā)了一種基于微波能量傳輸?shù)男⌒蜔o人機(jī)無線充電系統(tǒng)，充電功率為5 W。2020年，倫敦的帝國理工學(xué)院針對大疆Matrice 100型號的四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套無線充電系統(tǒng)[88]。當(dāng)無人機(jī)降落在充電平臺上的任何位置時(shí)，即使產(chǎn)生一定的橫向偏移或角度偏差，該系統(tǒng)都能夠以100 W的功率向無人機(jī)提供電力，與適配的有線充電器充電功率相同。2020年，韓國科學(xué)技術(shù)院設(shè)計(jì)了電場耦合式無人機(jī)無線充電平臺，實(shí)現(xiàn)以90%的效率為無人機(jī)提供100 W功率[89]。2021年，東芝公司研發(fā)了一種適用于面向架空輸電線路巡邏的無人機(jī)磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)，充電功率高達(dá)400 W，效率為78%[79]。同年，天津工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了基于磁場耦合式的無人機(jī)雙向無線充電系統(tǒng)[90]，該無人機(jī)既可以向傳感器傳輸能量，又可以接收無線充電樁的能量。

3.3.2 衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)供電

衛(wèi)星在太空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)經(jīng)常需要轉(zhuǎn)動天線、機(jī)械臂及太陽能電池翼等部件。為了保證衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正常工作，一般會采用導(dǎo)電滑環(huán)來傳輸電能和信號。然而，導(dǎo)電滑環(huán)的電刷和匯流盤環(huán)道會在運(yùn)行過程中發(fā)生摩擦[91]。衛(wèi)星在軌器件如果磨損過多，產(chǎn)生的磨屑會降低滑環(huán)絕緣性能，引起破壞性放電，從而導(dǎo)致衛(wèi)星故障甚至直接報(bào)廢。

理論上，無線傳能技術(shù)可更出色地完成衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)供電任務(wù)，一方面可以穩(wěn)定地傳輸能量與信號，并保持系統(tǒng)的絕緣性能。另一方面無線傳能沒有摩擦損耗的問題，不會引起放電從而導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)故障。然而暫時(shí)還沒有相關(guān)研究，衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)無線傳能系統(tǒng)的可行性與可靠性還有待進(jìn)一步探究。

3.3.3 外星探測展望

未來的深空探測需要在外星建立基礎(chǔ)設(shè)施、通信基站、運(yùn)載工具和傳感器等設(shè)備。無線電能傳輸技術(shù)可以在外星構(gòu)建電力和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，靈活地向電力和通信設(shè)備分配電力，從而有力地推動科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展，為航天事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

3.4 水下探測

無線電能傳輸技術(shù)在水下探測領(lǐng)域分別從水下機(jī)器人以及海洋觀測網(wǎng)兩個(gè)方面展開討論。

3.4.1 水下機(jī)器人

近年來，為了提高水下機(jī)器人的工作續(xù)航時(shí)間，人們展開了采用無線電能傳輸技術(shù)為水下機(jī)器人供電的研究。目前，水下機(jī)器人無線充電系統(tǒng)主要涉及磁場耦合式、電場耦合式以及超聲無線傳能技術(shù)。

磁場耦合式的相關(guān)研究開展較早，1994年美國威斯康辛大學(xué)開發(fā)了基于磁耦合諧振式水下2.5 kW級導(dǎo)軌式無線充電裝置[92]。2001年，美國的伍茲霍爾海洋研究所研發(fā)出了面向水下機(jī)器人的磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在2 000 m水深，向水下機(jī)器人傳輸200 W的電能，效率約為79%[93]。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水下無線電能傳輸裝置傳輸功率高達(dá)10 kW，傳輸效率為91%，是目前功率最高的水下無線充電系統(tǒng)之一[94]。然而，磁耦合式水下無線傳能系統(tǒng)的傳輸距離受限于發(fā)射線圈的尺寸，當(dāng)大于發(fā)射線圈半徑時(shí)系統(tǒng)的效率會急劇下降[95]。另外，發(fā)射線圈還需要經(jīng)過防水抗壓封裝，進(jìn)一步縮小了水下傳輸距離。如果想要增大磁場耦合式傳能系統(tǒng)在水下的傳輸距離，只能考慮增加線圈半徑，不利于水下設(shè)備的設(shè)計(jì)[96]。

由于海水介質(zhì)能有效地增加電場耦合式無線傳能系統(tǒng)的耦合電容，提升系統(tǒng)傳輸能力，因此有學(xué)者認(rèn)為電場耦合式無線傳能技術(shù)是一種在水下無線傳能場景中很有潛力的方法。西安科技大學(xué)提出一種雙向電場耦合式水下無線傳能系統(tǒng)，傳輸距離達(dá)10 cm，雙向傳輸效率均達(dá)到80%以上，系統(tǒng)能夠更有效地平衡多個(gè)水下設(shè)備能量，并有效提升續(xù)航能力[97]。美國德雷塞爾大學(xué)在考慮絕緣層的影響下，建立了一種傳輸距離達(dá)到200 mm的電場耦合式水下長距離無線傳能系統(tǒng)。歐洲有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電場耦合式水下無線傳能系統(tǒng)的接收端即使發(fā)生旋轉(zhuǎn)也不會影響傳輸功率[98]。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)電場耦合式水下無線電能傳輸系統(tǒng)的帶寬很長，系統(tǒng)的負(fù)載功率從50～500 kHz的頻率范圍保持恒定[99]。然而，在海水條件下，耦合電容將具有介電電阻。導(dǎo)電海水會產(chǎn)生額外功率損失，因此未來需要進(jìn)一步研究電場耦合式水下無線傳能系統(tǒng)的損耗問題。

超聲式無線電能傳輸系統(tǒng)因在水中沒有電磁干擾與渦流損耗問題的特點(diǎn)受到人們關(guān)注[96]。2015年，大連理工大學(xué)研究了水下超聲式無線傳能系統(tǒng)的阻抗變換技術(shù)[68]，2018年搭建超聲水下無線傳能系統(tǒng)與磁場諧振式無線傳能系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)對比得出超聲傳能的方式更適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕Y(jié)論[100]。目前，水下超聲無線傳能系統(tǒng)的應(yīng)用研究非常少，限制其效率的主要問題是壓電換能器與海水聲阻抗不匹配，導(dǎo)致聲波在海水中發(fā)生多次反射產(chǎn)生衰減。一旦該問題解決，將極大地提高超聲水下無線傳能系統(tǒng)的效率。

根據(jù)不同無線傳能技術(shù)的特點(diǎn)，可以為不同環(huán)境的水下機(jī)器人制定適宜的無線充電方案。隨著水下無線傳能技術(shù)的發(fā)展，將極大地提高水下機(jī)器人的工作時(shí)間與可靠性，對水下探測領(lǐng)域有重要意義。

3.4.2 海洋觀測網(wǎng)

隨著世界各國對海洋經(jīng)濟(jì)的關(guān)注與重視日益增加，海洋觀測網(wǎng)成為了世界上各國爭相研究的領(lǐng)域。海洋觀測網(wǎng)是一種包含多種傳感器的混合型物理網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用范圍十分廣泛，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)收集、污染預(yù)測、海洋采礦和海洋監(jiān)測?？煽康乃聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是海洋監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其監(jiān)測的數(shù)據(jù)能提供必要的海洋數(shù)據(jù)，因此水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的完整以及壽命長短，會直接影響對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測效果[101]。

基于海洋觀測網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)供電問題，有學(xué)者提出采用水下無線傳能技術(shù)的供電方案，美國、意大利和日本等國家率先對該領(lǐng)域展開研究。1997年，意大利研發(fā)了磁場耦合式船載拖拽供電裝置為水下傳感器供電[102]。2007年，日本提出了一種非接觸式的動力饋送與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明傳感器不僅可通過該系統(tǒng)獲得約180 mW的功率，還能與水面定位浮標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)雙向信號傳輸[103]。2011年，天津大學(xué)設(shè)計(jì)了基于磁場耦合式無線電能和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為海洋監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路[104]。2017年，天津大學(xué)又設(shè)計(jì)了一套基于浮標(biāo)裝置的水下無線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量與信號同時(shí)傳輸，輸出功率在10 W以上，數(shù)據(jù)傳輸基本無誤[105]。

現(xiàn)有的供電方案都是基于電感耦合的原理，并借助一條穿過傳感器與電源的錨鏈傳輸能量。除此之外，還可以研究水下機(jī)器人雙向無線充電技術(shù)，從母船等充電平臺取電，再為海洋觀測網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)依次供電，既提高了傳感器節(jié)點(diǎn)供電的靈活性，又增加了其工作時(shí)長。但是目前海洋觀測網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的機(jī)器人供電方案相關(guān)研究幾乎沒有，還有待進(jìn)一步的關(guān)注與開發(fā)。

3.5 家居辦公

隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，生活中的電子產(chǎn)品越來越多。為了擺脫繁雜的電線，提升人們的充電體驗(yàn)，國內(nèi)外對基于無線電能傳輸技術(shù)的電子產(chǎn)品充電設(shè)備開展了大量研究。

目前，市場上最常見的無線充電器需要手機(jī)緊貼并對準(zhǔn)充電底座才能有效充電，并且充電底座仍舊需要一根電源線與插座相連。雖然省略了人們給手機(jī)插電線的操作，也提高了一定的手機(jī)續(xù)航能力，但是從節(jié)約空間和節(jié)省電線的角度看，相比于有線電子產(chǎn)品，并沒有本質(zhì)的提升。

相比于近距離無線充電，遠(yuǎn)距離無線充電技術(shù)明顯更加貼合人們的需求與期待。美國的Powercast公司發(fā)布了一款無線充電發(fā)射器PowerSpot，這款充電器最大的特點(diǎn)就是充電距離達(dá)到24 m遠(yuǎn)，只需要將接收芯片安裝在用電設(shè)備中，PowerSpot就可以將915 MHz頻段的微波發(fā)射到充電范圍內(nèi)的接收芯片上為用電設(shè)備供電，最多可支持30個(gè)設(shè)備同時(shí)充電。然而，該產(chǎn)品最大的缺陷就是功率太低，僅能發(fā)射3 W的功率。

以色列的Wi-Charge公司致力于紅外激光無線傳能技術(shù)，將照明與紅外發(fā)射技術(shù)結(jié)合開發(fā)了一款紅外激光無線充電燈，將燈布置在房間中心，可以向四周發(fā)射紅外激光，再通過一款光伏電池接收器接收能量為用電設(shè)備供電，該裝置最遠(yuǎn)可以為200 m外的設(shè)備供電，如圖7所示。

圖7 Wi-Charge紅外激光無線電能傳輸Fig.7 Wi-Charge infrared laser wireless power transmission

2019年，日本東京大學(xué)演示了一款全新無線電能傳輸裝置在房內(nèi)的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)通過在3 m2大小房間墻壁和地板上埋入供電裝置，成功在房間內(nèi)部產(chǎn)生磁場并能夠?yàn)橛秒娫O(shè)備提供100 W充電功率，該研究團(tuán)隊(duì)宣稱該裝置工作時(shí)對人體安全無影響。

2021年1月29日，小米宣布成功研發(fā)隔空無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于微波式無線電能傳輸技術(shù)，使用144個(gè)相控天線作為發(fā)射陣列，內(nèi)置5個(gè)相位干涉天線鎖定手機(jī)的空間坐標(biāo)。其傳輸距離可達(dá)數(shù)米，能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備提供5 W充電功率。2021年8月30號，日本東京大學(xué)發(fā)明了一種利用腔基多模態(tài)共振器的室內(nèi)磁力準(zhǔn)靜態(tài)無線充電系統(tǒng)，其研究成果發(fā)表在Nature Electronics期刊[106]。該無線充電系統(tǒng)可為室內(nèi)用電設(shè)備提供50 W功率，另外，該團(tuán)隊(duì)還測量了該系統(tǒng)對人體的安全性，通過實(shí)驗(yàn)證明其電磁波吸收比值(Specific Absorption Rate，SAR)和內(nèi)部電場強(qiáng)度滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。該無線充電系統(tǒng)極大地提高了室內(nèi)用電設(shè)備供電的靈活性，但是缺點(diǎn)是必須改變整個(gè)環(huán)境才能使系統(tǒng)工作，易于在新建建筑物中實(shí)施，但是現(xiàn)有建筑物必須經(jīng)過改造才能適配這種充電方式。隨著無線傳能技術(shù)的發(fā)展，人們距離家居設(shè)備無線化的目標(biāo)越來越近。

3.6 醫(yī)療器械

隨著醫(yī)療技術(shù)快速發(fā)展，植入式醫(yī)療設(shè)備不僅能夠針對某些疾病進(jìn)行藥物定位治療、長期實(shí)時(shí)監(jiān)測、術(shù)后康復(fù)診斷等，甚至可用來代替某些功能喪失或功能不全的器官。主要包含心臟起搏器、人工心臟、人工耳蝸、脊髓電刺激器、植入式無線傳感設(shè)備和心房除顫器等。

目前，植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的相關(guān)研究主要基于磁場耦合式、電場耦合式、微波和超聲四種技術(shù)。其中，磁場耦合式無線傳能技術(shù)具有很強(qiáng)的生物組織穿透能力，可以穿過一些人體組織進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。2001年7月，美國的Abliomed公司研制出世界第一個(gè)無線充電的人工心臟Abio Cor。2011年，美國華盛頓大學(xué)在磁場耦合式供電系統(tǒng)中引入中繼線圈，將傳輸距離提高到1 m以上，傳輸功率最高16 W，效率為50%左右，但是植入線圈尺寸較大，直徑為9.5 cm，不利于實(shí)際應(yīng)用，且沒有考慮該系統(tǒng)對人體的影響。我國的南京航空航天大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和天津工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也對磁場耦合式無線傳能植入式設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要為小型化、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、抗偏移特性等方面的研究。然而，由于金屬元件(如電池和密封包裝)的存在，磁場耦合式的線圈很難集成到微型植入物，需要在植入式醫(yī)療設(shè)備增加寄生負(fù)載，降低了其性能。此外，植入設(shè)備的小型化意味著系統(tǒng)需要具備更高的功率傳輸密度，因此會產(chǎn)生更強(qiáng)的電場和磁場，對人體和設(shè)備產(chǎn)生影響[107]。

2013年，新加坡國立大學(xué)提出了基于電場耦合式的植入式無線傳能系統(tǒng)研究[108]，該系統(tǒng)工作頻率為402 MHz，能夠透過5 mm的皮膚進(jìn)行能量傳輸，系統(tǒng)效率達(dá)到67%。2019年，印度有學(xué)者針對神經(jīng)植入式傳感器建立了基于人體組織的電能與信號并行傳輸模型[109]。2020年，奧克蘭大學(xué)針對深度植入生物設(shè)備提出了一種電場耦合式無線電能傳輸方法，在滿足人體安全的前提下，不受設(shè)備植入深度的影響恒定輸出10 mW功率[110]。

2014 年，斯坦福大學(xué)的Ada Poon教授率先展開基于微波的植入式無線傳能系統(tǒng)研究。該團(tuán)隊(duì)通過對分布電流進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了一種十字槽天線。同時(shí)對系統(tǒng)效率、磁場分布、熱效應(yīng)等方面進(jìn)行了深入的研究[111]。后續(xù)還設(shè)計(jì)了金屬平板縫隙發(fā)射天線以及螺旋接收天線[112,113]，整個(gè)裝置體積在毫米級，幾乎可以用于人體任何位置，在滿足人體安全的前提下，可以為植入設(shè)備提供毫瓦級的充電功率。另外，英國學(xué)者提出了一種用于無線起搏應(yīng)用的高效可植入偶極整流天線的設(shè)計(jì)方法，整流器效率為65%，可為植入設(shè)備提供3 V的輸入電壓[114]。

超聲式無線電能傳輸系統(tǒng)幾乎不會產(chǎn)生磁場與電場，更符合人體安全要求。2011年，美國普渡大學(xué)設(shè)計(jì)了一款可通過水電解對腫瘤進(jìn)行原位氧化的超聲無線供電裝置。該裝置尺寸為1.2 mm×1.3 mm×8 mm，微小的體積可以直接插入腫瘤內(nèi)部[115]。同年，美國亞利桑那州立大學(xué)提出了一種超聲式無線神經(jīng)刺激器，在傳輸功率為23 mW的情況下，超聲波對人體的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全閾值[116]。2012年，英國倫敦帝國理工學(xué)院開發(fā)了一種帶有新型多層接口的植入設(shè)備，能夠通過磁場耦合和超聲兩種方式無線傳輸能量和信號[117]。2013年，韓國電子通信研究院使用1-3型復(fù)合壓電換能器，有效提高了傳輸距離和效率[118]。2014年，美國加利福尼亞大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)證明小型化超聲無線傳能系統(tǒng)比相同尺寸的磁場耦合式系統(tǒng)具有更高的傳輸效率[119,120]。2016年，美國西南大學(xué)針對深度植入醫(yī)療設(shè)備提出一種超聲無線充電系統(tǒng)，傳輸距離為5 cm，可以在210 s內(nèi)為0.22 F的超級電容器快速充滿電[121]。2017年，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)針對視覺皮質(zhì)假體植入設(shè)備設(shè)計(jì)了一種超聲無線傳能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以15%的效率傳輸5 mW[122]。2018年，美國賓西法尼亞州立大學(xué)提出了一種混合式無線傳能裝置，采用將磁場耦合式與超聲無線傳能系統(tǒng)級聯(lián)的方式來為植入式醫(yī)療設(shè)備供電[123]。

2021年，重慶醫(yī)科大學(xué)提出一個(gè)采用聚焦超聲發(fā)射器和小型1-3壓電復(fù)合材料接收換能器的植入式醫(yī)療設(shè)備的無線傳能系統(tǒng)，傳輸距離達(dá)到150 mm，傳輸功率為60 mW[124]。同年，我國香港城市大學(xué)研究人員受到自然界樹木獨(dú)特三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)了一套全新的柔性壓電陶瓷加工工藝，制造了多級互聯(lián)各向異性仿樹木壓電陶瓷復(fù)合材料，并進(jìn)一步開發(fā)了超聲能量收集器及其系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時(shí)兼?zhèn)湓诳v向上的高壓電性以及橫向上的柔性，而且其聲阻抗也與人體組織更加匹配，并且具備良好的生物安全性，克服了傳統(tǒng)壓電材料難以應(yīng)用于可植入設(shè)備的困境[125]。

4 主要技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 磁場耦合式

4.1.1 優(yōu)化線圈耦合器

線圈耦合器作為電磁轉(zhuǎn)換的核心部分，其參數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率、功率和距離等性能有重要影響。在同等傳輸水平下，耦合器的設(shè)計(jì)力求更小的體積、更低的漏感以及更低的損耗。

為了提升耦合器性能，一方面可以采用新結(jié)構(gòu)來優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)，減小能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗，進(jìn)而提高耦合系數(shù)和傳輸效率；另一方面還可以對耦合器的材料進(jìn)行優(yōu)化。例如，超導(dǎo)材料線圈的交流損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)線圈，可有效提升無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。文獻(xiàn)[126]發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)線圈不僅能夠顯著提高磁場耦合式系統(tǒng)傳輸效率，還能大幅度提升能量密度。另外，電磁超材料線圈具有良好的聚焦磁通能力，故而可以提高諧振線圈之間的耦合系數(shù)，增大能量轉(zhuǎn)換效率，擴(kuò)大傳輸距離。

4.1.2 多負(fù)載技術(shù)

多負(fù)載供電技術(shù)目的在于同時(shí)滿足多個(gè)用電設(shè)備的供電需求。然而，由于用電設(shè)備的位置不同、負(fù)載不同以及相互干擾等問題，使得各自的接收線圈難以保持相同的諧振頻率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率大幅度下降。因此，在多負(fù)載相互隔離、多負(fù)載協(xié)同管理等關(guān)鍵技術(shù)上仍需做進(jìn)一步突破。

4.1.3 異物檢測技術(shù)

在磁場耦合式無線傳能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，往往會受到周圍環(huán)境中的異物(如金屬體、生物體等)的影響，造成傳輸功率和效率的下降。此外，金屬體的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)渦流損耗、系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的電磁輻射都可能會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全隱患，對生物體的安全產(chǎn)生影響。因此異物檢測技術(shù)是一項(xiàng)近年來受到廣泛關(guān)注的無線傳能關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻(xiàn)[127]對異物檢測技術(shù)進(jìn)行了較為全面的介紹，文獻(xiàn)[128]設(shè)計(jì)了一種具有對稱結(jié)構(gòu)的密繞陣列式差分線圈金屬異物檢測系統(tǒng)，可通過金屬異物介入引起檢測線圈輸出電壓變化實(shí)現(xiàn)對金屬異物的檢測，檢測精度高達(dá)93%。文獻(xiàn)[129]在2022年提出了一種基于五階諧波電流監(jiān)測的異物檢測技術(shù)，在線圈發(fā)生較大幅度偏移時(shí)仍能準(zhǔn)確檢測到金屬異物。為了推廣無線傳能技術(shù)的發(fā)展，必須進(jìn)一步提升不同應(yīng)用場景下的異物檢測準(zhǔn)確率，并結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)和控制，形成完整的智能化異物檢測與管理系統(tǒng)。

4.1.4 電磁安全問題

磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)中的電磁輻射是限制其應(yīng)用的一項(xiàng)重要因素，不僅會對電路內(nèi)部的電子器件產(chǎn)生影響，還會對環(huán)境和人體產(chǎn)生極大的危害。隨著磁場耦合式無線傳能技術(shù)的應(yīng)用深入人類生活的各個(gè)角落，電磁安全問題成為一項(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[130]采用有限元仿真軟件Comsol構(gòu)建了基于磁場耦合式無線傳能系統(tǒng)的純電動汽車電磁暴露模型，并評估了其對人體的安全性。文獻(xiàn)[131]提出了一種有源線圈屏蔽的方法，有效降低電動汽車無線充電過程中車身周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度。針對電磁安全問題，需要展開多層次、多角度、多領(lǐng)域的研究，保障磁場耦合式無線傳能技術(shù)的應(yīng)用能夠安全可靠地深入人類生活的各個(gè)角落。

4.2 電場耦合式

4.2.1 單電容耦合無線電能傳輸

單電容耦合無線電能傳輸是電場耦合式無線傳能技術(shù)的一個(gè)重要分支，該系統(tǒng)的電能發(fā)射端和接收端僅采用一塊金屬極板作為電極，耦合機(jī)構(gòu)更加簡單靈活。相比于傳統(tǒng)電場耦合式無線傳能系統(tǒng)，單電容耦合系統(tǒng)在拓?fù)湫问缴蠜]有一個(gè)完整的電氣回路，所以適用于傳統(tǒng)電路中的分析方法無法直接應(yīng)用于單電容耦合系統(tǒng)的建模與分析中。文獻(xiàn)[132]基于采用分布式諧振線圈的單電容耦合系統(tǒng)提出了一種等效電路。文獻(xiàn)[133]將地面視為準(zhǔn)導(dǎo)電介質(zhì)，提出了一種等效電路。但上述的理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在誤差，目前尚沒有完整的理論和模型來詮釋單電容耦合機(jī)構(gòu)的傳輸機(jī)理，該技術(shù)的突破將有利于拓展和促進(jìn)電場耦合無線電能傳輸相關(guān)理論與技術(shù)的進(jìn)步。

4.2.2 電容耦合機(jī)構(gòu)研究

電場耦合式無線傳能系統(tǒng)中的電容耦合極板間存在著復(fù)雜的交叉耦合問題，是影響系統(tǒng)諧振和能量傳輸?shù)闹饕蛩兀绕鋵τ诰哂卸噍斎?、輸出端口的耦合機(jī)構(gòu)更加難以分析。

文獻(xiàn)[134]分析了電容耦合機(jī)構(gòu)的交叉耦合情況，并量化了各極板間的耦合電容。文獻(xiàn)[29]提出了多端口耦合機(jī)構(gòu)的互耦合模型，并設(shè)計(jì)了一種基于共享電感的解耦電路及相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。但是，對于電容耦合機(jī)理及相關(guān)損耗模型仍有待進(jìn)一步研究及優(yōu)化。

4.2.3 安全問題

隨著電場耦合式無線傳能技術(shù)的發(fā)展，其傳輸功率和傳輸距離有了很大提升，但大功率系統(tǒng)耦合電極的電壓可達(dá)幾千伏乃至上萬伏，存在安全隱患。系統(tǒng)的耦合電極可通過附加絕緣和封裝處理以防止觸電，然而耦合機(jī)構(gòu)的電場會在周圍金屬體上產(chǎn)生分布電壓，人體觸碰金屬體時(shí)可能會有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 微波式

4.3.1 高效大功率微波源設(shè)計(jì)

大功率微波源目前主要通過電真空器件或微波固態(tài)器件制造，電真空器件輸出功率較高，體積較大，而固態(tài)器件可靠性高，體積較小，但是單體輸出功率略低。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，由固態(tài)器件制作的微波源在功率、效率及微波束質(zhì)量等方面展現(xiàn)出更強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿135]。

4.3.2 高定向性發(fā)射天線

發(fā)射天線的定向性對微波式無線傳能系統(tǒng)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[136]通過波束聚焦技術(shù)以及饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，制作了多款高定向性發(fā)射天線。另外，只有當(dāng)微波在目標(biāo)區(qū)域均勻分布時(shí)，才能保持接收整流天線工作在最佳狀態(tài)，高聚集度的微波束可能會降低接收整流天線的效率。因此，高定向性發(fā)射天線除了波束聚焦還需要具備平頂波束賦形功能。

4.3.3 接收整流天線

微波式無線傳能系統(tǒng)通過接收天線收集微波能量，其體積、工作頻率、功率、效率等因素是影響工作性能的關(guān)鍵所在。目前涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模整流天線陣列設(shè)計(jì)、低功率整流天線非線性研究、高頻高效整流天線研究、信息能量同時(shí)傳輸?shù)燃夹g(shù)。

4.3.4 安全問題

微波式無線傳能技術(shù)對系統(tǒng)安全性要求很高，因此目前只有適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的案例，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微波輸能覆蓋，仍需解決好傳輸范圍內(nèi)微波能量對人類及其他生物的影響；此外，在傳輸范圍內(nèi)，通信設(shè)備及信號安全性也是不容忽視的因素。

4.4 激光式

4.4.1 優(yōu)化激光器

激光電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端的核心器件是激光器，激光器是激光式無線傳能系統(tǒng)發(fā)射模塊的核心部件，其性能直接影響系統(tǒng)的整體效率。目前，激光器的光束變換、激光準(zhǔn)直、光束質(zhì)量優(yōu)化、電光轉(zhuǎn)換效率提升以及溫度控制等技術(shù)均有待進(jìn)一步突破。

4.4.2 光伏接收技術(shù)

激光無線傳能系統(tǒng)中通過光伏器件實(shí)現(xiàn)接收端激光-電能的轉(zhuǎn)換，其性能同樣影響系統(tǒng)的傳能效率。對光伏器件的研究，仍需從光伏材料的選擇、改善光能利用率、器件的溫度特性、接收跟蹤技術(shù)和抗干擾技術(shù)等方面綜合考慮。

4.4.3 能量管理系統(tǒng)

隨著未來功率需求的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)必須設(shè)置能量管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)激光能量接收的最優(yōu)化。高效的能量管理系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，還要向激光二極管模塊提供穩(wěn)定的直流供電。因而研究對激光式無線傳能系統(tǒng)接收到的能源進(jìn)行檢測、管理及控制，實(shí)現(xiàn)能量的高效、穩(wěn)定輸出。

4.5 超聲式

4.5.1 超聲換能器設(shè)計(jì)

超聲電能傳輸系統(tǒng)的核心器件是超聲換能器，其工作效率直接決定了系統(tǒng)的能量傳輸效率。對于不同的應(yīng)用場景，需要設(shè)計(jì)不同種類的換能器，以適應(yīng)傳輸介質(zhì)的需求。目前僅有很少的相關(guān)研究，文獻(xiàn)[71]針對水下應(yīng)用場景提出了換能器的設(shè)計(jì)方案，幾乎沒有文獻(xiàn)再針對超聲電能傳輸系統(tǒng)專門展開換能器的研究和設(shè)計(jì)。因此，相關(guān)實(shí)驗(yàn)中的換能器往往存在不適配的問題，其性能也有待進(jìn)一步提升。

4.5.2 能量傳輸機(jī)理

超聲式無線傳能系統(tǒng)的傳輸機(jī)理較為復(fù)雜，目前對其描述的常用方法有等效電路法、有限元法和二端口法等，其中，等效電路法又包括常見的Mason等效電路和KML等效電路等，都可較為直觀地計(jì)算超聲式無線傳能系統(tǒng)的傳輸性能。但目前對系統(tǒng)的傳輸機(jī)理如阻抗匹配、諧振狀態(tài)等的研究仍不充分，系統(tǒng)的等效電路模型也有待進(jìn)一步優(yōu)化，仍然缺少一套完善的描述超聲無線傳能系統(tǒng)的理論體系。另外，有限元分析也是研究超聲換能器特性、系統(tǒng)傳輸性能的有效方法。若能將各種方法結(jié)合，建立更加完善的分析模型，則能為超聲式無線傳能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用奠定有效基礎(chǔ)。

4.5.3 聲波透射技術(shù)

在超聲電能傳輸系統(tǒng)中，不同介質(zhì)間的聲阻抗匹配問題是限制系統(tǒng)效率提升的關(guān)鍵，且大多數(shù)條件下都無法做到完美的聲阻抗匹配。為了解決這一問題，文獻(xiàn)[137]提出梯度匹配層的方案，使換能器到傳輸介質(zhì)之間的聲阻抗平滑過渡，從而增大聲波輻射的透射率，以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

4.5.4 相控聚焦技術(shù)

聲波的擴(kuò)散衰減是限制超聲式無線傳能技術(shù)距離提升的一個(gè)重要因素。單個(gè)發(fā)射換能器的傳輸距離可能無法做到很遠(yuǎn)，因而很多場合需要考慮換能器陣列的形式。文獻(xiàn)[138]通過采用相控聚焦技術(shù)不僅提高了系統(tǒng)接收效率，還實(shí)現(xiàn)了傳輸方向的變換控制。

5 結(jié)論

無線傳能技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的綜合效益。同時(shí)，無線傳能技術(shù)的研發(fā)也是一個(gè)循序漸進(jìn)的系統(tǒng)性工程，其發(fā)展面臨理論、器件及安全等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，需要分階段、分步驟突破各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，未來無線傳能必將向著取優(yōu)、兼容、融合的方向發(fā)展，同時(shí)對電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、航空航天、水下探測、家居辦公、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。