無線電能傳輸簡述

張德慧　魏銘　王明月

摘 要：第二次工業(yè)革命后，人類社會便進(jìn)入電氣化時(shí)代，電能的傳輸主要通過金屬導(dǎo)線的點(diǎn)對點(diǎn)直接接觸進(jìn)行傳輸。這種"有線"的傳輸方式帶來了不少問題，例如由于存在摩擦、老化等影響，電能在傳輸過程中很容易產(chǎn)生火花，進(jìn)而影響到用電設(shè)備的使用壽命和用電安全。另外，傳輸?shù)挠芯€電力傳輸方式不能滿足一些應(yīng)用場合的需要，如礦井等。隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，但是太多的電線和插座給人們生活帶來了不便。這些問題都在呼吁一種脫離金屬導(dǎo)線的電能傳輸方式，即無線電能傳輸。

關(guān)鍵詞：無線 電能 傳輸

2007年麻省理工大學(xué)物理學(xué)助理教授馬林.索爾賈?？撕退难芯繄F(tuán)隊(duì)在SCIENCE上發(fā)表文章，提出了一種基于四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振模式的無線傳能技術(shù)。此種能量傳輸方式利用獨(dú)立的兩個(gè)高Q值（即品質(zhì)因數(shù)）線圈，提高了系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸能力。由此，掀起了全球性的無線電能傳輸技術(shù)研發(fā)熱潮。本文，將對無線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容簡述。

1、無線電能傳輸系統(tǒng)的分類

無線電能傳輸系統(tǒng)的主要特征，就是不通過導(dǎo)線接觸，以無線的方式將能量從一端傳輸至另一端。發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量，如電磁能、機(jī)械能等，傳播至接收端，接收端接收此種形式的能量，再將其轉(zhuǎn)換為電能。目前，無線電能傳輸系統(tǒng)中所選擇的中間能量形式主要有電磁能和機(jī)械能（震動）兩種。接下來將按照電磁能和機(jī)械能的分類方式，介紹目前主流的幾種無線電能傳輸技術(shù)。

（1）對于電磁波，其頻率不同，相應(yīng)的能量傳輸方式有很大區(qū)別，無線電能傳輸系統(tǒng)的工作方式也隨之改變。

根據(jù)距離發(fā)射機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)近，電磁波產(chǎn)生的交變磁場，可以分為近場和遠(yuǎn)場兩個(gè)區(qū)域。近場分布在場源的一個(gè)波長范圍內(nèi)，在這一區(qū)域，電磁能主要以電場或磁場的形式存在，通常具有如下特點(diǎn)：幾乎無推遲效應(yīng)；在任一時(shí)刻，電磁場的分布規(guī)律分別與靜態(tài)場中的電場、磁場相同；近場內(nèi)以電磁能量相互轉(zhuǎn)換為主，能量幾乎不向外發(fā)射。而遠(yuǎn)場指距離發(fā)射機(jī)構(gòu)一個(gè)波長范圍之外的區(qū)域，在這一區(qū)域，電磁能主要以電磁波的形式存在，并向外發(fā)射。此時(shí)，電磁場具有推遲效應(yīng)，且輻射具有方向性。

（2）機(jī)械能主要通過機(jī)械波（即震動）將能量從發(fā)射機(jī)構(gòu)傳輸至接收機(jī)構(gòu)。目前，主要通過超聲波來傳輸能量。超聲波指頻率大于20kHz的聲波，它具有方向性強(qiáng)、能量易于集中、可在各種媒質(zhì)中傳播且無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。由于機(jī)械波主要依賴于分子的震動傳播能量，故當(dāng)發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)間的空隙由固體填充時(shí)，能量傳輸?shù)男首罡摺⑿Ч詈?；由液體填充效果次之；由空氣填充效果最差。

2、無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，在無線電能傳輸技術(shù)的眾多實(shí)現(xiàn)方式中，基于磁耦合形式的無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，以下簡要介紹該技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

2.1國外研究現(xiàn)狀

新西蘭奧克蘭大學(xué)以Boys教授為首的研究小組自20世紀(jì)90年代便開始研究電磁感應(yīng)式非接觸能量傳輸技術(shù)并系統(tǒng)全面地進(jìn)行研究與推廣應(yīng)用工作。經(jīng)過多年的努力，在理論和實(shí)踐上取得了較多重大突破。該團(tuán)隊(duì)的Hu A P 博士于2001年完成了該領(lǐng)域的第一篇博士論文，較為系統(tǒng)的闡述了IPT技術(shù)原理、拓?fù)浼瓣P(guān)鍵研究點(diǎn)等。該團(tuán)隊(duì)研究內(nèi)容包括基本原理設(shè)計(jì)思路、耦合磁場機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、頻率穩(wěn)定策略分析、能量與信號同步傳輸、功率控制及系統(tǒng)穩(wěn)定性能等；在工程技術(shù)應(yīng)用方面的研究主要有單軌行車、有軌電車及運(yùn)料車等軌道交通設(shè)備的電源感應(yīng)耦合接入，生物體體內(nèi)植入式電氣設(shè)備等的無線供電，以及電動汽車感應(yīng)耦合充供電等，已經(jīng)形成了一套理論框架及應(yīng)用技術(shù)體系。

美國麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic 教授為首的研究小組在2007年提出了四線圈架構(gòu)的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2m范圍內(nèi)功率為60W的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，系統(tǒng)整體的效率達(dá)到40%。

日本東京大學(xué)的Takao Someya 教授等研究人員運(yùn)用印刷式塑性MEMS 開關(guān)及有機(jī)晶體管技術(shù)研究小功率IPT技術(shù)，成功研制出一種可大面積鋪置的能量發(fā)射塑性膜片，在原、副邊結(jié)合較為緊密（100微米）的情況下，其最大傳輸功率為40.5W，傳輸效率高達(dá)81.4%。日本崇城大學(xué)的Sakamoto H及Kumamoto Institue of Techology 的Harada K教授從20世紀(jì)90年代初九開始研究IPT技術(shù)在電動汽車無線充電等方面的應(yīng)用，內(nèi)容主要包括能量與信號同步傳輸、磁場耦合機(jī)構(gòu)等。

另外，日本橫濱國立大學(xué)一些研究員研究了高速列車的非接觸供電問題；日本日立研究實(shí)驗(yàn)室的研究員們研究了電梯及自動巡航車的非接觸供電系統(tǒng)，對其松耦合電磁機(jī)結(jié)構(gòu)的磁芯形狀和繞圈的形狀及繞制等進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析；韓國慶北大學(xué)研究了基于PCB線圈的手機(jī)非接觸充電裝置；美國研究了磁懸浮列車的非接觸供電問題和可適應(yīng)寬輸入電壓及寬負(fù)載范圍的無線電能傳輸技術(shù)，并將其應(yīng)用到便攜式電話的非接觸充電中。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著國外對IPT技術(shù)研究的深入，自20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)的天津工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院電工研究所、清華大學(xué)及重慶大學(xué)的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)分別在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)PT技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。

以孫躍教授（重慶大學(xué)）為首的研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2002年開始進(jìn)行IPT技術(shù)理論的研究，在其基本原理、高頻諧振軟開關(guān)變換器的建模方法及非線性行為分析、功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性、能量雙向傳輸、電動汽車磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等領(lǐng)域進(jìn)行了較為深入的研究，為IPT技術(shù)的推廣和應(yīng)用方面做了大量的工作。

在技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用方面，該團(tuán)隊(duì)早在2010年，研發(fā)出了國內(nèi)第一套輸出功率在1KW以下上的大功率IPT裝置，并與中國海爾集團(tuán)公司成立家用電器無線電能傳輸技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心，致力于開發(fā)家用電器無線電能傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。該團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)某鉆井企業(yè)合作，聯(lián)合開發(fā)同軸旋轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)無線電能傳輸技術(shù)及裝置；與國內(nèi)某電網(wǎng)企業(yè)合作，聯(lián)合研發(fā)數(shù)十千瓦級的電動汽車無線充供電示范系統(tǒng)。該示范系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)充電和在線不停車實(shí)時(shí)充電，停車定點(diǎn)無線充電的電能傳輸垂直距離為40cm，橫向偏移可達(dá)20cm，系統(tǒng)整體效率大于90%。不停車實(shí)時(shí)無線供電系統(tǒng)采用多級供電軌道級聯(lián)模式，示范軌道設(shè)計(jì)長度為100cm，軌道平面與車載拾取機(jī)構(gòu)最佳垂直距離為40cm，最大輸出功率為30KW，行進(jìn)供電效率為75%到80%。

目前該研發(fā)團(tuán)隊(duì)已具備開發(fā)功率等級從毫瓦級到數(shù)十千瓦級的IPT裝置的能力，成為國內(nèi)IPT技術(shù)研究領(lǐng)域一支重要的研發(fā)力量。還團(tuán)隊(duì)與新西蘭奧克蘭大學(xué)合作成立的“無線電能傳輸技術(shù)國際聯(lián)合研究中心”，于2015年10月獲得國家科技部專家的專家認(rèn)定，這也將進(jìn)一步促進(jìn)該團(tuán)隊(duì)與國際平臺的合作性研究與發(fā)展。

總結(jié)：近年來，隨著人們對電能無線傳輸?shù)男枨蟛粩鄶U(kuò)大，越來越多的科研院所及企業(yè)相繼加入無線電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)中來，可以說目前該領(lǐng)域的研究已經(jīng)是電氣與自動化領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)之一。由于無線電能傳輸系統(tǒng)具有高安全性、高可靠性和靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界人士的密切關(guān)注。無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到諸多領(lǐng)域，如有軌電動汽車的研發(fā)等。

參考文獻(xiàn)：

戴欣孫躍唐春森王智慧蘇玉剛. 無線電能傳輸技術(shù). 科學(xué)出版社