感应和谐振无线电能传输技术的发展

发布时间：2022-02-24所属分类：电工职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要 随着科技的不断发展和进步，无线电能传输技术已成为国内外最受关注的研究课题，是未来电力发展的必然趋势。首先介绍无线电能传输技术的起源，追溯到电磁波的发现;接着分析无线电能传输技术的三种主要形式，包括感应无线电能传输技术、谐振无线电能传输技术和微波

　　摘要 随着科技的不断发展和进步，无线电能传输技术已成为国内外最受关注的研究课题，是未来电力发展的必然趋势。首先介绍无线电能传输技术的起源，追溯到电磁波的发现;接着分析无线电能传输技术的三种主要形式，包括感应无线电能传输技术、谐振无线电能传输技术和微波无线电能传输技术。在此基础上，对三种形式的无线电能传输技术的发展现状进行论述，详细阐述目前国内外无线电能传输技术的研究成果，并对比分析目前研究最广泛的感应和谐振无线电能传输技术在原理、系统构成、分析方法以及运行条件上的异同，最后对无线电能传输技术在各个领域的应用进行了展望。

　　关键词：感应 谐振 微波 无线电能传输

　　0 引言

　　无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术是指无需导线或其他物理接触，直接将电能转换成电磁波、光波、声波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术，因此又被称为非接触电能传输(Contactless Energy Transfer, CET)技术。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点，因此得到了国内外学者的广泛关注[1,2]。

　　无线电能传输是人类一百多年来孜孜不倦追求的目标，该技术是一个多学科交叉的前沿技术，涉及电学、物理学、材料学、生物学、控制科学等多个学科和领域。无线电能传输可以有效地克服裸露导体造成的用电安全、接触式供电的火花、接触机构的磨损等问题，并避免在潮湿、水下、含易燃易爆气体的工作环境下，因导线式或接触式供电引起的触电、爆炸、火灾等事故。无线电能传输技术的出现还促进了大量新型应用技术的产生，如植入式医疗设备的非接触式供电、超高压/特高压杆塔上监测设备的非接触式供电、家用电器的非接触式供电、移动设备的非接触式供电及电动汽车的无线充电等。伴随着智能电网和能源互联网的发展，电动汽车的无线充电技术将极大地促进新能源汽车产业的发展。此外，在太空领域，还可以通过无线电能传输方式把外太空的太阳能传输到地面、在航天器之间实现无线电能传输;在军事领域，无线供电可以有效地提高军事装备和器械的灵活性和战斗力。因此，世界主要发达国家都十分重视无线电能传输技术的研究，美国麻省理工学院主办的《麻省理工技术评论》杂志已将无线电能传输技术列为引领世界未来的十大科学技术之一[3]。

　　1 无线电能传输技术的起源

　　无线电能传输技术的起源可以追溯到电磁波的发现。1865 年，麦克斯韦在前人实验的基础上，归纳出著名的麦克斯韦方程组，理论上预见了电磁波的存在。1888 年，赫兹通过实验成功地“捕获”了电磁波，从而为电信号的无线传输奠定了坚实的基础，也为电能的无线传输提供了发展的可能。

　　继电磁波发现不久，伟大的发明家特斯拉就开始了无线电能传输技术的探索[4]，在其专利“电气照明系统”中通过改进赫兹波发射器的射频电源[5]，提出了无线电能传输的伟大设想;1893 年，特斯拉在哥伦比亚世界博览会上，在没有任何导线及其他物理连接的情况下，隔空点亮了一盏磷光照明灯[6]。特斯拉展示的照明灯无线电能传输实验装置如图 1 所示[7]，发射端由高频交流电源、变压器、发射线圈 P、电火花间隙开关 S. G 和电容器 C 组成;接收端由接收线圈 S 和一个 40W 的灯泡组成;发射线圈与接收线圈直径均为 24in(1in=0.025 4m，24in 大约 60cm)，匝数见图 1 中标注。当发射线圈电感 L 与电容器 C 以高频交流电源的频率发生串联谐振时，电容器 C 上产生的谐振电压将击穿电火花间隙开关 S. G，使发射线圈 P 与电容器 C 经 S. G 短路发生串联谐振，发射线圈 P 上流过的谐振电流产生磁场，耦合到接收线圈 S，转换成电能将灯泡点亮。该装置可以在发射线圈和接收线圈相距 1ft (1ft=0.304 8m，大约 30cm)范围内工作。

　　1898 年，特斯拉又把无线电能传输技术应用到人体电疗中，成果在美国电疗协会第 8 次年会上首次展示，并刊登在《电气工程师》第 544 期和 550 期上，1999 年被《Proceedings of the IEEE》作为经典论文重印[8]。特斯拉提出无线电疗装置如图 2 所示，发射线圈为一个直径不小于 3ft(大约 90cm)的大铁环 H，铁环上绕有几匝粗大的电缆线 P，两端并联一个由大面积极板形成的可变电容器，然后与电源相联;接收线圈为一普通漆包线绕制的线圈S，用两个木箍 h 和硬纸板固定，连接到人体。该装置工作时，发射线圈与可变电容器在电源频率下发生并联谐振，流过发射线圈的谐振电流产生磁场，耦合到接收线圈，转换为电能对人体进行电疗。

　　1899 年，特斯拉在科罗拉多州开展了大规模无线电能传输的尝试，发明了谐振频率为 150kHz 的特斯拉线圈[9]，并在长岛建造了著名的特斯拉塔如图 3 所示。虽然最终由于资金匮乏，利用特斯拉塔进行大功率无线电能传输的实验没有实现，但留给人们无限的遐想。特斯拉甚至还设想将地球作为内导体、地球电离层作为外导体，在它们之间建立起 8Hz 的低频电磁共振(舒曼共振)，实现全球无线电能传输。因此，特斯拉毫无疑问是无线电能传输的开拓者，是无线电能传输原理和技术的奠基者[10]。

　　2 无线电能传输技术的形式

　　无线电能传输技术主要分为三种基本形式：

　　(1)感应无线电能传输技术。该技术可通过两种原理实现：①基于电磁感应原理，将发射线圈和接收线圈置于非常近的距离，当发射线圈通过电流时，所产生的磁通在接收线圈中感应电动势，从而将电能传输到负载;②基于电场耦合原理，通过两个可分离电容极板的电场变化，实现电能无线传输。

　　(2)谐振无线电能传输技术。该技术同样可通过两种原理实现：①基于磁谐振原理，在近场范围内，使发射线圈与接收线圈均工作于自谐振或谐振状态，实现电能的中距离无线电能传输;②电场谐振原理，通过使两个带有电感的可分离电容极板工作于谐振状态，通过电场谐振实现电能的无线传输。

　　(3)微波无线电能传输技术。该技术的基本原理是将电能转换成微波，然后通过天线向空间发射，接收天线接收后转换为电能给负载供电，实现远距离的无线电能传输。与该技术原理相同的无线电能传输方式，还有基于射频技术的无线电能传输、基于激光的无线电能传输和基于超声波的无线电能传输等。

　　以上三种形式的无线电能传输技术，按照工作于电磁场非辐射区或是辐射区来进行分类，可以将它们分为非辐射式无线电能传输技术和辐射式无线电能传输技术，其中感应无线电能传输技术、谐振无线电能传输技术属于非辐射式，而微波无线电能传输技术则属于辐射式。

　　不同的无线电能传输技术性能各异，感应无线电能传输技术的传输功率大，最大功率可达几百 kW 以上，且效率较高，最大效率在 90%以上，但传输的距离很短，一般在几 cm 以下[11];谐振无线电能传输技术现阶段电能传输距离从十几 cm 到几 m，传输功率从几十 W 到几 kW，效率从 40%到 90% 以上;微波无线电能传输技术传输的距离较远，为 km 级，传输功率从 mW 级到 MW 级，但效率极低，一般低于 10%。目前最具有发展和应用前景的是感应无线电能传输技术和谐振无线电能传输技术。

　　3 无线电能传输技术的发展历程

　　3.1 感应无线电能传输技术

　　1894 年，继特斯拉之后，M. Hutin 和 M. Leblanc 申请了“电气轨道的变压器系统”专利，提出了牵引电车的 3kHz 交流电源感应供电技术[12]。间隔大约半个世纪，1960 年，B. K. Kusserow 提出植入式血泵感应供电方式[13]，开始了感应无线电能传输技术在植入式医疗设备供电中的应用研究。随后不久， J. C. Schuder 等在哥伦比亚密苏里大学进行一项被命名为“经皮层能量传输”的研究项目[14,15]，提出利用接收线圈串联电容来实现谐振无功补偿，从而达到高效电能传输[16,17]。1970 年，纽约大学的 A. I. Thumim 等发表了植入式医疗设备感应供电的论文，提出了在发射线圈、接收线圈同时进行串联电容无功补偿的技术，并研究了耦合系数对电能传输性能的影响[18]。1971 年，射频技术的应用促进了感应无线电能传输技术在医疗设备上的发展[19]，旋转变压器在同期诞生[20]，用于取代电刷。1972 年，新西兰奥克兰大学的 Don Otto 申请了采用可控硅逆变器产生 10kHz 的交流电给小车感应供电的专利(NZ19720167422, JP49063111)，首次验证了给移动物体感应供电的可能性。1974 年，出现了电动牙刷的感应无线充电技术[21]，装在杯型底座的电源通过电磁感应给牙刷中的电池充电。1978 年，电动汽车的感应无线充/供电也引起了学术界极大的兴趣[22]。进入 20 世纪 80 年代，对电动汽车感应无线电能传输理论的探索和应用实践又有了进一步发展[23-25]。同时在植入式医疗器械非接触供电技术方面也有了较大突破，1981 年，Ian C. Foster 进一步提出了在接收线圈进行并联电容补偿的方法，提高了传输效率和位移容差[26]。1983 年，英国医学研究理事会的 N. N. Donaldson 和 T. A. Perkins 提出了发射线圈进行串联电容补偿、接收线圈进行并联电容补偿的技术，证明存在最优的耦合系数和最大接收功率，但效率较低只有 50%[27]。1989 年，A. Ghahary 发展了用串联谐振变换器实现经皮能量传输和对副边线圈进行串联电容补偿的技术[28,29]。1996 年，G. B. Joun 又提出了一次侧和二次侧同时进行串联电容补偿的技术[30,31]。

　　新西兰奥克兰大学的 J. T. Boys 教授，是 20 世纪 90 年代以来对感应无线电能传输技术的发展推动最大的学者之一，他系统地开展了对感应无线电能传输技术的研究[32-34]，他的研究团队完善了感应无线电能传输的拓扑补偿和稳定性理论[35-37]。J. T. Boys 教授于 1991 年申请的“感应配电系统”的专利，已成为近 20 年来感应无线电能传输技术发展史上的一个里程碑[32]，该专利首次系统地提出了感应无线电能传输装置的结构和设计方法，该结构如图 4 所示。发射线圈由三相交流电供电，具有并联补偿的能量拾取线圈或接收线圈，接收线圈输出经整流和开关模式控制给负载供电，该结构在轨道电车非接触供电和电动汽车无线充电中得到成功的应用。

　　21 世纪以来，感应无线电能传输技术开始走向产品化。2003 年，英国 SplashPower 公司开始进行感应无线电能传输的产品开发，2005 年研制的无线充电器“SplashPad”上市[38]，可以实现 1mm 内的无线充电;同年，美国 WildCharge 公司开发的无线充电系统，功率达到 90W，可以为多数笔记本计算机以及各种小型电子设备充电[39]，而香港城市大学的徐树源教授则成功研制了通用型非接触充电平台[40]，充电时间与传统充电器无异。2006 年，日本东京大学的学者利用印制塑性 MEMS 开关管和有机晶体管，制成大面积的无线电能传输膜片[41,42]，该膜片上印制有半导体感应线圈，厚度约为 1mm、面积约为 20cm2 、重约为 50g，可以贴在桌子、地板、墙壁上，为装有接收线圈(用于接收电能)的圣诞树上的 LED 灯、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。2007 年微软亚洲研究院设计和实现了一种通用型“无线供电桌面”，可随意将笔记本、手机等移动设备放在桌面上即可自动开始充电或供电[43];同年 3 月，美国宾夕法尼亚州的 Powercast 公司开发的无线充电装置可为各种小功率的电子产品充电或供电，该技术采用 915MHz 的频率，实现 1m 范围内的无线电能传输，据称约有 70%的电能转化为直流电能，该技术已获得美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)的批准[44]。

　　在大功率感应无线电能传输产品开发方面，主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下运行的设备供电，例如电动汽车、起重机、运货车以及水下、井下设备[45-51]。目前商业化产品的传输功率已达 200kW，传输效率在 85%以上，典型的有日本大阪幅库(Daifuku)公司的单轨型车和无电瓶自动货车，新西兰奥克兰大学所属奇思(Univervices)公司的罗托鲁瓦(Rotorua)国家地热公园的 40kW 旅客电动运输车以及德国瓦姆富尔(Wampfler)公司的载人电动列车，其总容量为 150kW，气隙为 120mm[52]。此外，还有美国通用汽车公司(GM)推出的 EV1 型电动汽车感应充电系统、电车感应充电器 Magne-chargeTM，Magne-chargeTM 的工作频率可以在 80～350kHz 范围变动，传输效率达 99.5%。

　　2008 年 12 月 17 日，无线充电联盟(Wireless Power Consortium, WPC)成立，是首个以感应无线电能传输技术为基础的无线充电技术标准化组织[53]。2010 年 7 月，WPC 发布了 Qi 标准，同年 9 月 Qi 标准被引入中国，至 2014 年 2 月，WPC 的成员已经超过了 200 家企业或组织。2012 年又成立了电源事项联盟(Power Matters Alliance, PMA)，也是以感应无线电能传输技术为基础的无线充电技术标准化组织，2013 年 PMA 制定出自己的无线充电标准[54]。

　　国内关于感应无线电能传输技术的研究文献最早可查的是 2001 年，西安石油学院的李宏教授介绍了感应无线电能传输技术[52]。此后，华南理工大学、重庆大学、天津工业大学、哈尔滨工业大学、中科院电工所、西安交通大学、浙江大学、南京航空航天大学等陆续开展了大量研究[55-64]。目前重庆大学孙跃教授领导的团队在感应无线电能传输实验方面，开展了大量的研究，并与新西兰奥克兰大学的 Patrick Aiguo Hu 进行了深层次的学术交流与科技合作，取得了较好的成果。2011 年 10 月在天津召开的国内首次“无线电能传输技术”专题研讨会[65]，参会的专家们讨论了无线电能传输技术的新进展和存在的一些问题，并达成了“天津共识”，对无线电能传输技术在国内的深入研究和继续推广具有重要的意义。

　　3.2 谐振无线电能传输技术

　　100 多年前特斯拉提出的无线电能传输技术，可以说是谐振无线电能传输技术研究的开始，但特斯拉去世后，相当长一段时间谐振无线电能传输技术被人遗忘，没有取得实质性的进展。而进入 21 世纪，特斯拉利用谐振原理实现无线电能传输的设想再次被人关注。2006 年，麻省理工学院物理系 Marin Soljacic 教授找到了“抓住”发散电磁波的方法，利用物理学的磁谐振原理，让电磁波发射器与接收器同频谐振，使它们之间可以进行能量互换。他领导的研究小组进行的无线电能传输实验表明，两个相同设计的铜线圈(线圈直径 60cm;线径 6mm)，在同频谐振情况下，可以将距离 7ft(大约 2m)的 60W 灯泡点亮，且整个系统的效率达 40% 左右，实验装置如图 5 所示[66]。Marin Soljacic 教授的研究实证了特斯拉磁谐振无线电能传输的设想，是无线电能传输技术发展史上具有里程碑意义的突破。2007 年该成果被刊登在《Science》杂志上，掀起了国际上无线电能传输技术研究的热潮，开始了谐振无线电能传输技术研究的激烈角逐。

　　2008 年 8 月，Intel 公司在英特尔开发者论坛上，展示了与麻省理工学院类似的磁谐振无线电能传输装置，实现了在 1m 距离传输 60W 电能的同时，还保持了 75%的效率，是磁谐振无线电能传输技术的又一进步[44]。2009 年，日本东京大学的 Yoichi Hori 教授利用 15.9MHz 的谐振频率，对电动汽车进行磁谐振无线充电，传输距离为 200mm，传输功率为 100W，效率达到 97%左右[67];同年，马里兰大学的 Sedwick 首次提出了用超导体实现长距离磁谐振无线电能传输的可行性，并对此进行了详细的理论分析[68,69]。2010 年，Marin Soljacic 教授团队开展了另一项磁谐振无线电能传输实验，以 6.5MHz 的谐振频率和超过 30%的效率，实现了 2.7m 的无线电能传输[70]。2011 年，有学者在 0.3m 的距离内，以 3.7MHz 的频率实现了功率 220W、效率 95%的磁谐振无线电能传输[71];同年，韩国学者实验验证了两个超导线圈间的磁谐振无线电能传输机理[72]，并在 2013 年又实现了 4 个线圈的超导磁谐振无线电能传输，且仅在接收端采用了超导线圈[73]。国内学者也对此进行了研究[74]，并申请了相关专利[75]。超材料应用于磁谐振无线电能传输中的技术也因此被提出来，并在实验上取得了很好的成果[76-80]。国内大型企业海尔公司“无尾电视”采用的也是 MIT 的磁谐振技术[81]，现在正积极推广其“无尾厨电”。2012 年 6 月，三星公司发布了采用磁谐振技术无线充电手机 Galaxy S III，是磁谐振无线电能传输技术在商业上的首次成功应用;同年，以谐振无线电能传输技术为基础的无线充电联盟(Alliance for Wireless Power, A4WP)也成立起来[82]，并于 2013 年推出了 Rezence 无线充电标准。

　　与磁谐振无线电能传输技术一样，基于电场谐振的无线电能传输技术也得到了关注[83-85]，但目前相关成果并不多，有代表性的是 2008 年美国内华达州雷电实验室，研制成功了基于电场谐振的无线电能传输装置，将 775W 的功率传输到 5m 远的距离，效率达到 22%[86]，电场耦合无线电能传输装置如图 6 所示。由于电场对环境的影响和要求不同于磁场，电场谐振无线电能传输技术只能在一些特殊的场合应用，局限性较大，因此目前被广泛研究的主要是磁谐振无线电能传输技术。

　　国内对谐振无线电能传输技术的研究始于 2007 年，华南理工大学张波教授团队采用与 Marin Soljacic 教授团队的耦合模理论不同的电路分析方法，建立磁谐振无线电能传输系统的电路模型[87]，并提出了频率跟踪控制的方法。哈尔滨工业大学朱春波教授采用直径为 50cm 的谐振线圈，实现了 310kHz 谐振频率、1m 距离、50W 功率的传输[88,89]。天津工业大学杨庆新教授的团队对从几十 kHz 到 13.56MHz 的磁谐振无线电能传输系统进行试验研究[90,91]。东南大学黄学良教授带领的团队采用频率控制技术实现了距离 0.9m、60%的稳定传输效率，传输功率大约几十 W[92]。重庆大学孙跃教授的团队研发的磁谐振无线电能传输样机，谐振频率为 7.7MHz、传输距离为 0.8m、传输功率为 60W、传输效率为 52%[93]。清华大学的赵争鸣教授系统地梳理了磁谐振无线输电技术存在的问题并指出了未来的一些发展方向[94]，目前磁谐振无线电能传输技术在国内呈现出较好的发展势头。——论文作者：张 波 1 疏许健 1 黄润鸿 2