磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀和應(yīng)用

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722133

摘要：磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是一種高效非輻射能量傳輸?shù)腤PT技術(shù)。本文主要介紹了三種主流WPT技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，通過對磁耦合諧振WPT的原理介紹，對比三種WPT技術(shù)，闡述了磁耦合諧振WPT技術(shù)的應(yīng)用廣泛，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧振；WPT；高效非輻射

中圖分類號：TM724文獻(xiàn)標(biāo)識號：A

隨著社會的不斷發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)越來越受青睞，由于無線電能傳輸是一種通過非物質(zhì)媒介實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備與供電系統(tǒng)之間能量傳輸?shù)姆绞?，它不受?dǎo)線、電源插頭壽命等限制，也可避免由于電路連接問題產(chǎn)生的電火花等，極大的方便了人們的生產(chǎn)生活。

1 無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

早在十九世紀(jì)九十年代，就有人提出了無線電能傳輸技術(shù)，但由于人類認(rèn)知有限和技術(shù)能力不足，當(dāng)時的理論只停留在構(gòu)想階段，無線電能傳輸也因此在很長一段時間無人提起。直到20世紀(jì)六十年代，由于社會格局的變化，政府開始對空間技術(shù)的發(fā)展構(gòu)想，人們提出了建立空間電站的設(shè)想。故在1963年William C.Brown完成了第一個無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，它是利用電能轉(zhuǎn)換的方式（即將直流電能轉(zhuǎn)換為微波，并定點(diǎn)聚焦到接收器）實(shí)現(xiàn)能量的傳輸[1]。1968年P(guān)eter Glaste首次提出向太空發(fā)射太陽能發(fā)電平臺，利用外太空太陽能發(fā)電衛(wèi)星，先將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并通過激光或微波形式將電能傳輸?shù)降孛嫔系慕邮昭b置，最終將微波能量轉(zhuǎn)化為所需要的電能供人們使用[2]。但是由于成本、技術(shù)、輻射等原因，當(dāng)需要遠(yuǎn)距離傳輸并且在比較空曠的場合，該技術(shù)的傳輸效率會很高[3]。

到20世紀(jì)90年代，新西蘭奧克蘭大學(xué)Boys教授[4]領(lǐng)導(dǎo)的科研小組開始對電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)展開全面的研究，課題組提出了一套完整的電磁感應(yīng)無線電能傳輸理論，從實(shí)驗(yàn)中分析該技術(shù)的傳輸效率、系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，使其能夠用于多個領(lǐng)域。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟了，利用這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的很多產(chǎn)品都已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，例如對電動汽車、電動牙刷、MP3或MP4、平板電腦、智能手機(jī)[5]等生活設(shè)備的充電。2015年1月，德國寶馬公司研發(fā)了一款跑車寶馬i8，這款跑車就是利用電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)設(shè)計的。由此可見此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。

而最早提出磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)是2006年11月，提出者是美國麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授[6]，隨后的一年里，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過對諧振線圈的材質(zhì)、相似度、半徑、高度、距離等的研究，最終在2007年6月，他們以40%的傳輸效率將2.13m遠(yuǎn)處的60W燈泡點(diǎn)亮。由于磁耦合諧振技術(shù)屬于中等距離電能傳輸，并且對人體不會產(chǎn)生較大的傷害，因此該技術(shù)相較于電磁波輻射無線電能傳輸技術(shù)和電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用更加廣泛。2010年9月Wi Tricity公司與德爾福汽車系統(tǒng)公司采用磁耦合諧振技術(shù)研發(fā)了對電動汽車充電的無線充電系統(tǒng)[7]。2011年Thuc Phi Duong等學(xué)者對系統(tǒng)的傳輸效率做出了一定的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)的方法主要是改變發(fā)射和接收線圈之間的距離[8]。同年，Dukju Ahn等對中繼線圈的數(shù)量、設(shè)置位置等所引起的系統(tǒng)傳輸效率變化進(jìn)行了深入研究，并由此得到了系統(tǒng)傳輸效率的變化規(guī)律[3]。2012年日本利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穿透式無線充電，并且傳輸效率高達(dá)90%。2013年之后，韓國、歐美等國家也相繼建立了無線充電網(wǎng)絡(luò)，為行駛中的電動汽車進(jìn)行充電。2016年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了20KW功率下對電動汽車充電，電能傳輸效率高達(dá)90%，并且充電速度也是近于普通接觸充電的三倍，這是無線電能傳輸技術(shù)中的一項(xiàng)重大突破，為以后的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，無線電能傳輸技術(shù)起步較晚，2001年李宏教授最先對感應(yīng)耦合式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，他首先對該項(xiàng)技術(shù)做出了系統(tǒng)的介紹，然后提出了該技術(shù)在礦用電力機(jī)車上的可行性報告[3]。接著，中科院院士嚴(yán)陸光和武瑛博士、浙江大學(xué)何湘寧教授及其團(tuán)隊(duì)、重慶大學(xué)孫躍教授及其團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)王兆安教授及其團(tuán)隊(duì)等分別感應(yīng)耦合式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了研究，目前該技術(shù)在國內(nèi)也是比較成熟的。

而國內(nèi)最早研究磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的是2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授實(shí)驗(yàn)室，他們通過對不同諧振中繼線圈的對比，以及無線傳感器的裝備，提出了傳輸效率較高、傳輸距離較遠(yuǎn)的磁耦合諧振系統(tǒng)。華南理工大學(xué)張波教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組設(shè)計了一套實(shí)時同步跟蹤系統(tǒng)[9，10]。東南大學(xué)黃學(xué)良教授課題組研制出一種新型磁耦合諧振式無線電能傳輸樣機(jī)以及由其應(yīng)用于電動汽車輸電網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組通過對諧振頻率、耦合方式等的分析和仿真得到了系統(tǒng)的最佳傳輸距離和最大傳輸功率。重慶大學(xué)提出了無線輸電網(wǎng)絡(luò)，并對單一性傳輸和多點(diǎn)傳輸進(jìn)行研究比較，并在2013年研制了國內(nèi)第一輛利用該技術(shù)設(shè)計的無線充電電動汽車。隨著社會的發(fā)展，國家對新能源汽車的支持，現(xiàn)在越來越多的科研單位、高校、企業(yè)參與磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯俊?/p>

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕驹?/p>

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要有兩大系統(tǒng)分組成：電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)。電磁發(fā)射系統(tǒng)主要是高頻激磁電路將工頻交電流通過發(fā)射線圈使其產(chǎn)生諧振，從而產(chǎn)生高頻電流，再由發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻磁場，將能量傳送出去。電磁接收系統(tǒng)主要是接收線圈與高頻磁場發(fā)生耦合，并使接收線圈發(fā)生諧振并產(chǎn)生感應(yīng)電流，再通過整流、濾波，最后供給負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)睦碚摲治瞿Ｐ椭饕腥N：一是傳統(tǒng)的電磁場理論；二是耦合模理論；三是等效電路理論。

3 應(yīng)用和發(fā)展

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)有傳輸效率高、中等距離傳輸、穿透性良好、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此在移動終端設(shè)備、電動汽車和醫(yī)療設(shè)備充電方面的應(yīng)用前景很好。現(xiàn)在在很多國家已經(jīng)建立了電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)也將在其他領(lǐng)域等到更大的發(fā)展。隨著我國國民水平的提高、新能源意識的加強(qiáng)，電動汽車也將成為一種趨勢，網(wǎng)絡(luò)充電系統(tǒng)也將大力發(fā)展。

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[HTH]基金項(xiàng)目：[HT][HTK]西華師范大學(xué)2015年度校基金科

研青年項(xiàng)目，磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯浚?xiàng)目編號：15D007）[HT]

作者簡介：唐玲（1985），女，四川綿陽人，

講師，研究方向：電路與系統(tǒng)設(shè)計，圖像處理。