無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題

楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻(xiàn) 李 陽

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

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無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題

楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻(xiàn) 李 陽

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

近幾年，電氣科技工作者對無線電能傳輸技術(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)問題和技術(shù)瓶頸問題需要解決。文章首先對該技術(shù)的近期研究現(xiàn)狀作了簡要回顧。其次重點(diǎn)提出了目前亟待解決的7個關(guān)鍵基礎(chǔ)問題和4個技術(shù)瓶頸問題。最后對無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景作了進(jìn)一步的展望，重點(diǎn)介紹了高速列車無線供電技術(shù)以及前期研究工作。

無線電能傳輸技術(shù) 基礎(chǔ)問題 技術(shù)瓶頸 應(yīng)用前景 高鐵列車

0 引言

無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)備移動的局限性等問題，成為有線供電模式的重要補(bǔ)充，因此受到世界各國同行的重視。

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

近幾年，電氣科學(xué)家們對無線電能傳輸技術(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)問題和技術(shù)瓶頸問題需要解決，這些問題的解決對推動無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文首先對該技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要回顧，其次重點(diǎn)總結(jié)提出亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題和技術(shù)瓶頸問題，這些問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。最后對無線電能傳輸技術(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)隊提出的高速列車無線供電技術(shù)以及所做的前期研究工作。

1 無線電能傳輸技術(shù)的近期研究現(xiàn)狀

近年來，無線電能傳輸技術(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 國外研究現(xiàn)狀

2012年，意大利佩魯賈大學(xué)的學(xué)者設(shè)計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)行同時傳遞[6]，此外他們還提出分析計算平面螺旋線圈諧振頻率的簡便方法，并應(yīng)用程序及軟件計算線圈集總參數(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%的無線輸電實(shí)驗。

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

2011年，美國華盛頓大學(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)了電能的無線傳輸[10]。除了在醫(yī)療領(lǐng)域之外，美國華盛頓大學(xué)還在考慮把無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于海洋中設(shè)備的供電。

在微波無線電能傳輸方面，2008年5月，美國國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，證明了空間微波能量傳輸?shù)目尚行浴Ｃ绹媱?020年實(shí)現(xiàn)可以實(shí)用的太陽能衛(wèi)星電站。2012年日本宇航局與東京大學(xué)合作，針對未來低軌小衛(wèi)星空間太陽能微波能量傳輸實(shí)驗研制了微波發(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)。對電能諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的損耗問題和感應(yīng)耦合無線電能傳輸電源規(guī)劃問題也進(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。對雙中繼無線電能傳輸系統(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線電能傳輸系統(tǒng)中耦合系數(shù)的變化，工作頻率對傳輸?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，對自主無線充電功能的室內(nèi)移動機(jī)器人系統(tǒng)和采用無線電能傳輸技術(shù)的無尾家電進(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)用以解決傳輸過程中由于頻率失諧帶來的傳輸效率低的問題，并于2014年獲得題為“分?jǐn)?shù)階電路系統(tǒng)諧振無線電能傳輸機(jī)理及關(guān)鍵問題研究”的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目支持。

清華大學(xué)趙爭鳴教授課題組[16]分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對無線電能傳輸系統(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]對植入式醫(yī)療通信與射頻集成電路進(jìn)行了研究設(shè)計，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，諧振頻率為5.5 MHz，傳輸效率為46%。此外，他們還設(shè)計了一種名為“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。

在微波無線電能傳輸方面，四川大學(xué)于2013年9月建立了kW級、km級無線能量傳輸試驗裝置。采用4個800 W磁控管進(jìn)行功率合成，使用自行設(shè)計的平面天線和接收整流天線陣列，實(shí)驗中的發(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“高鐵列車無線供電方法中的幾個關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”國家自然科學(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)等也取得了有價值的研究成果。

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

2014年5月香山科學(xué)會議第499次學(xué)術(shù)討論會召開。大功率無線電能傳輸技術(shù)及其科學(xué)問題、空間太陽能電站發(fā)展核心技術(shù)問題為該會議的中心議題。我國有望于2030年研發(fā)出首個空間太陽能電站，這意味著微波無線電能傳輸技術(shù)在我國將得到飛躍發(fā)展。

2 無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題

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

2.1 無線電能傳輸技術(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、電場耦合、微波、激光和超聲波等是無線電能傳輸?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合，如軍事、空間太陽能電站等；超聲波和電場耦合無線傳輸技術(shù)無磁場輻射，但傳輸功率?。浑姶鸥袘?yīng)耦合傳輸功率大，但傳輸距離很短，適用于近距離場合；磁諧振耦合傳輸距離高于電磁感應(yīng)耦合，效率高于微波等無線傳輸技術(shù)，但在大功率、遠(yuǎn)距離多種應(yīng)用場合仍不適應(yīng)。人們基于現(xiàn)有無線傳輸方式，通過改進(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。

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

2.2 無線電能傳輸空間功率密度分布及傳遞機(jī)理

在無線電能傳輸技術(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]對無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。應(yīng)用電路理論來分析系統(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；采用耦合模理論來闡述電磁諧振耦合式無線電能傳輸技術(shù)的基本特點(diǎn)與前提條件。然而，對無線電能傳輸?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)系至今未見相關(guān)文獻(xiàn)闡述。此基礎(chǔ)性問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 近場諧振耦合傳輸方式的方向性問題

磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端之間的方向性問題首先由美國麻省理工學(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)的無線電能傳輸幾乎可以做到無方向性，但文中針對方向性的問題并未給出解釋、推理以及實(shí)驗方面的具體數(shù)據(jù)。由此，國內(nèi)各科研院所和高校也對方向性問題進(jìn)行了大量的分析和實(shí)驗研究。文獻(xiàn)[23]從過耦合、臨界耦合和欠耦合3個方面對磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)方向性進(jìn)行了分析，并根據(jù)理論分析設(shè)計相關(guān)的實(shí)驗?zāi)Ｐ?，通過實(shí)驗驗證無線電能傳輸系統(tǒng)同軸、平行放置，系統(tǒng)工作在過耦合狀態(tài)，在一定范圍是無方向性的；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，在一定的水平錯位和角度偏移下，系統(tǒng)的傳輸效率會降低。

大量實(shí)驗研究也表明，該傳輸方式有明顯的方向性特征。目前，人們對無線電能傳輸系統(tǒng)方向性的有無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，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)系問題

電源頻率與傳輸距離及功率的關(guān)系始終是無線電能傳輸系統(tǒng)中研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。依據(jù)國內(nèi)外研究成果，感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率會隨傳輸距離的減少而增大[25]；在磁諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)中距離減小到一定程度后，功率會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)中會出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象[22，26]。

在無線電能傳輸應(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，對無線電能傳輸系統(tǒng)中電源頻率與傳輸距離及功率之間的定量關(guān)系尚未見報道。在實(shí)際應(yīng)用中，如在傳輸距離一定時，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，如何確定最佳傳輸距離等的每一個具體數(shù)值都需要通過多次實(shí)驗來確定三者之間的關(guān)系。針對一種或多種無線電能傳輸方式，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)問題。

2.5 無線電能傳輸空間內(nèi)生物安全性問題

無線電能傳輸技術(shù)利用中高頻電磁場耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞，其中高頻的電磁能量必然會有一部分進(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，電磁輻射功率會更大，相應(yīng)的泄露到外圍物體上的能量也就會越多。

生命體長期暴露在超過安全限值的電磁環(huán)境中，會使其生物機(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，甚至還會影響人的心理和行為健康。多數(shù)文件通過比吸收率(Specific Absorption Rate)來描述電磁輻射限值[27]。國際上對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)，它由國際非電離輻射防護(hù)委員會發(fā)布，主要使用范圍在歐洲和澳大利亞等。另一標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)標(biāo)準(zhǔn)，主要使用范圍在美國、加拿大和日本等。

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

目前學(xué)者主要通過對模型進(jìn)行仿真和測試的方法定量分析無線電能傳輸系統(tǒng)，并將結(jié)果與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。為了系統(tǒng)地研究無線電能傳輸空間內(nèi)的生物安全性問題，應(yīng)分階段進(jìn)行不同功率等級、不同頻段的生物體實(shí)驗，建立實(shí)驗數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行長期觀察與統(tǒng)計，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)動在線無線供電情況下供受電體之間的受力問題

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，只要穿過回路磁通量發(fā)生改變，回路中就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。引起磁通量變化的原因包括：①回路在磁場中無相對運(yùn)動，但磁場空間分布隨時間變化，這一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為感生電動勢；②回路相對于磁場有運(yùn)動，這一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為動生電動勢。

對于電能發(fā)送端與接收端相對靜止的中短距離無線電能傳輸系統(tǒng)，接收端線圈中的電壓一般可認(rèn)為來源于感生電動勢。當(dāng)發(fā)送端與接收端之間存在相對運(yùn)動，且在高速狀態(tài)下進(jìn)行無線輸電時，接收端將受到感生電動勢和動生電動勢的共同作用。前者的存在實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸，同時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力的作用。如果考慮接收端運(yùn)行至不同位置時，多個發(fā)送端進(jìn)行切換時電流突變而引起的瞬時電動力問題，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)動物體進(jìn)行在線無線電能傳輸時的受力問題，應(yīng)針對不同工作頻率及相對運(yùn)動速度對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進(jìn)行求解分析，準(zhǔn)確評估供受電體所受的電動力影響。

2.7 先進(jìn)材料在無線電能傳輸中的約束作用機(jī)制

無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對電能傳輸區(qū)域外物體影響盡量小。目前由于多個因素的限制，以上幾方面并不能同時達(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，并對無線電能傳輸?shù)男?、功率和電磁場等問題進(jìn)行了實(shí)際測量，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對外界物體的影響，必須研究對電能傳輸機(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)。為了拓展無線電能傳輸范圍，研究人員利用超材料(Metamaterial)開發(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。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)磁場間的耦合效果，在拓展傳輸距離的同時也提高了傳輸效率[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)用于無線電能傳輸系統(tǒng)中，上述諸多束縛和限制將會得到改善或解除。

3 無線電能傳輸技術(shù)的技術(shù)瓶頸問題

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

3.1 系統(tǒng)總體技術(shù)集成問題

無線電能傳輸技術(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)計電路、采用軟開關(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，是無線電能傳輸技術(shù)需要解決的一個重要技術(shù)問題。

2)諧振頻率跟蹤、交互的通信。對于短距離無線電能傳輸技術(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。在無線供電過程中，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。對移動的負(fù)載端供電時也需要檢測負(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)外物體對系統(tǒng)正常工作的擾動影響分析。由于短距離無線輸電系統(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)電能的無線傳遞同時，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)域時不僅會使系統(tǒng)的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移，還會使系統(tǒng)增加額外損耗。因此，應(yīng)研究外部物體對系統(tǒng)正常工作的擾動機(jī)理并獲得檢測與降低擾動的有效手段，量化擾動物體材質(zhì)、尺寸、相對位置與持續(xù)時間對系統(tǒng)的影響程度，根據(jù)結(jié)果加入保護(hù)算法、檢測方法并劃分不同的工作模式以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4)高可靠性大功率無線輸電電源的研制。目前無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)，并配合不同軟開關(guān)算法實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。當(dāng)短距離無線充電負(fù)載功率進(jìn)一步增大時，需要對逆變功率管進(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)計與運(yùn)行的難度。因此，設(shè)計合理的拓?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)在無線模式供電下，應(yīng)該給誰受多少電，電費(fèi)如何計量，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)化問題。無線電能傳輸技術(shù)集合了電磁場、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 無線充電網(wǎng)絡(luò)電源管理技術(shù)問題

無線電能傳輸技術(shù)的使用特點(diǎn)之一是有很高的靈活性。在無線充電網(wǎng)絡(luò)中，電能之間的傳遞可以是一對一的，即一個能量發(fā)送源向一個能量接收器進(jìn)行傳遞能量。同時該技術(shù)也允許一對多、多對一或者多對多的使用方式，比如電動汽車的使用，在一定范圍內(nèi)由電網(wǎng)的一個發(fā)送源向多個汽車同時進(jìn)行供電。再如，家庭用無線充電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)放置一個發(fā)送源不能滿足要求時，可以放置多個發(fā)送源協(xié)同工作，如圖1所示。

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

因此無線充電網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時，需要對多個發(fā)送源和多個接收器進(jìn)行有效的統(tǒng)一管理。當(dāng)該系統(tǒng)工作在一對多模式下時，系統(tǒng)根據(jù)充電設(shè)備信息自動判斷容量是否足夠，滿足要求時充電開始，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)容量不足時，應(yīng)首先對優(yōu)先級高的設(shè)備進(jìn)行充電。同時，當(dāng)有新的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)首先判斷系統(tǒng)剩余容量能否滿足新接入設(shè)備，如果可以則開始正常充電，如果發(fā)現(xiàn)不能滿足，則系統(tǒng)不應(yīng)對該設(shè)備充電，而應(yīng)保證原有設(shè)備的正常充電。對于多對一模式，系統(tǒng)應(yīng)該首先判斷充電對象的容量，然后合理組合開始充電，當(dāng)系統(tǒng)充電容量過剩時，也應(yīng)按照優(yōu)先級順序依次切除。在多對多模式下工作時，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)問題

電磁兼容的基本內(nèi)容之一是各個電子電氣設(shè)備在同一空間中同時工作時，總會在周圍產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場，該電磁場通過一定的途徑，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，同時這些設(shè)備也可能從其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場中吸收能量或者受到干擾，導(dǎo)致自身無法正常工作。

無線電能傳輸系統(tǒng)在工作時周圍空間會存在高頻電磁場，發(fā)送源與接收器通過電磁場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)出的空間電磁場的影響，同時系統(tǒng)應(yīng)該能很好地處理系統(tǒng)外部物體進(jìn)入時所帶來的通信信號干擾和電能質(zhì)量波動問題，以保證系統(tǒng)的正常工作。同時應(yīng)該注意的是無線充電工作時的頻率不應(yīng)與現(xiàn)行頻率相沖突，比如移動通信用各頻段、電視信號用頻段以及廣播用無線電頻段等，也不能對現(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)過無線電管理機(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。無線電能傳輸技術(shù)涉及電氣工程、自動化、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、居民住宅等多個方面，因此涉及領(lǐng)域廣。國內(nèi)國際現(xiàn)有的生產(chǎn)制造、運(yùn)營及監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展的需要，亟需補(bǔ)充擴(kuò)展。同時制定具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)也是自主創(chuàng)新的一個重要體現(xiàn)。

4 無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景展望

近年來無線電能傳輸技術(shù)在便攜家用電器、人體內(nèi)植入器件和電動汽車等的無線供電領(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于電能使用的便攜性、多樣性要求的不斷提高，無線電能傳輸技術(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)給出無線電能傳輸技術(shù)在高速列車供電和空間太陽能電站中的應(yīng)用，這是兩個非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.1 高鐵列車無線供電技術(shù)

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

目前的高鐵列車受電是通過受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線相接觸，在靜止或滑動狀態(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、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)問題更為突出。

為解決弓網(wǎng)接觸供電存在的問題，提出采用無線電能傳輸技術(shù)為高速列車供電，供、受電端依靠電磁耦合傳遞電能，沒有任何直接接觸，能有效克服弓網(wǎng)滑動接觸供電的以上諸多缺點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。需要解決的問題是大功率無線供電單元、高速運(yùn)動下供受電端之間的電動力和乘客車廂內(nèi)安全電磁環(huán)境等問題。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所示為高鐵列車無線供電模型，相關(guān)研究成果在2014年中國科協(xié)夏季科學(xué)展和全國科普日上展出[31]。

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

2014年，韓國鐵路技術(shù)研究院開發(fā)并運(yùn)行了1 MW級列車無線供電系統(tǒng)[32]。

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

4.2 空間太陽能電站

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

空間太陽能電站主要包括太陽能發(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)之一就是通過無線電能傳輸技術(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，同時地球大氣層對于該頻段電磁波吸收作用小、幾乎透明，降低了電能傳送時的能量消耗，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

本文對無線電能傳輸技術(shù)的研究近況作了簡要敘述，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)動在線無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)制等七個關(guān)鍵基礎(chǔ)問題和系統(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)化等四個技術(shù)瓶頸問題，供同行研究時參考，最后給出了無線電能傳輸技術(shù)的最新應(yīng)用趨勢。

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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

國家自然科學(xué)基金(51477117、51307120、51207106)項目資助。

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，研究方向為工程電磁場與磁技術(shù)。(通信作者)

章鵬程 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)。