無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述

黃學(xué)良 譚林林 陳 中 強(qiáng) 浩 周亞龍 王 維 曹偉杰

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096）

1 無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的電力輸送采用有線(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)（即利用電纜線(xiàn)作為傳輸媒介），因此在電力的傳輸過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生傳輸損耗，同時(shí)線(xiàn)路老化、尖端放電等因素也易導(dǎo)致電火花，大大降低了設(shè)備供電的可靠性和安全性[1,2]，縮短設(shè)備的使用壽命。一方面在礦場(chǎng)、海底等一些特殊場(chǎng)合，傳統(tǒng)的電纜線(xiàn)供電方式所產(chǎn)生這些缺點(diǎn)往往有時(shí)將是致命的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起爆炸、火災(zāi)及設(shè)備的損壞等，帶來(lái)了極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，另一方面生活中大量的電器供電勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致多種電源線(xiàn)的交叉給人們生活帶來(lái)的極大的不便。

人類(lèi)從剛開(kāi)始利用電能時(shí)就期待著一種能實(shí)現(xiàn)將電力能量無(wú)線(xiàn)輸送的方式。早在19世紀(jì)中后期，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology）就被著名的電氣工程師尼古拉·特斯拉提出[3]，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，受早期技術(shù)、財(cái)力等因素的限制，該技術(shù)僅僅局限于構(gòu)想階段，但同樣為后來(lái)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展繪制了美好的藍(lán)圖和奠定了一定的研究基礎(chǔ)。隨后伴隨著電磁波理論的發(fā)展，古博（Goubau）等人從理論上推算了自由空間波束導(dǎo)波傳輸能量的可行性，并做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究。到 20世紀(jì)初期，日本的H. Yagi等人發(fā)明了一種可用于無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€(xiàn)（又稱(chēng)八木-宇田天線(xiàn)）[4]，可將能量以微波的形式發(fā)送出去，在此基礎(chǔ)上雷聲公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）等人又做了大量的研究工作，設(shè)計(jì)了一種效率高、架構(gòu)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體二極管整流天線(xiàn)，可將微波能量轉(zhuǎn)換成直流電[5,6]，從此微波作為無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)囊环N重要方式被廣泛研究。到目前為止，利用微波傳輸電能已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離的功率輸送[7-9]，與此同時(shí)激光作為一種新型的無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式也被用來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離的能量傳輸[10,11]。

到20世紀(jì)80年代，以電磁感應(yīng)耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術(shù)開(kāi)始被學(xué)者們關(guān)注，并逐漸應(yīng)用到電動(dòng)牙刷、手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)供電中，以此為代表的有新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯（Boys）教授為首的課題組。該課題組經(jīng)過(guò)多年努力在理論和實(shí)踐上取得了很多重大突破[12,13]，實(shí)現(xiàn)了國(guó)家地?zé)峁珗@載人游覽車(chē)的無(wú)線(xiàn)供電試驗(yàn)系統(tǒng)。隨后美國(guó)汽車(chē)工程協(xié)會(huì)根據(jù) Magne-chargeTM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制定了在美國(guó)使用非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)——SAEJ.1773[14,15]，但感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)對(duì)磁路的設(shè)計(jì)要求比較苛刻，導(dǎo)致傳輸距離較低（多在厘米范圍內(nèi)），導(dǎo)致該技術(shù)在大功率無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膽?yīng)用中具有很大的局限性。

2007年麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)的諧振方式，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)半徑為 30cm的發(fā)射和接收諧振器線(xiàn)圈，在1.9 m之外成功點(diǎn)亮了60W的燈泡[16]，成功開(kāi)辟了無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的一個(gè)新方向，該方式不僅彌補(bǔ)了感應(yīng)式非接觸無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)傳輸距離短的缺陷，將傳輸距離提高到米級(jí)范圍，同時(shí)還極大地降低了能量傳輸對(duì)環(huán)境的影響（具有較低的電磁輻射）。該技術(shù)的提出將無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)推到一個(gè)新的研究高度，無(wú)論感應(yīng)方式和磁耦合諧振方式都是基于磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，雖然磁耦合諧振式具有相對(duì)較低的電磁輻射問(wèn)題，但在一些對(duì)磁場(chǎng)環(huán)境要求更為嚴(yán)格的特定場(chǎng)合，該兩種方式都具有應(yīng)用的局限性。因此近些年不少學(xué)者也提出了多種其他方式的無(wú)線(xiàn)能量傳輸方案，諸如基于超聲波和電場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式等[17,18]，雖然能量傳輸功率方面有待提高，但在電磁環(huán)境要求較高、功率要求不大的場(chǎng)合具明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，迄今為止能實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞街饕形⒉ā⒓す?、感?yīng)耦合、磁耦合諧振、電場(chǎng)耦合方式等，可實(shí)現(xiàn)小功率到大功率，遠(yuǎn)距離到近距離的不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同功率需求的能量傳輸，見(jiàn)圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)方式Fig.1 Main technologies of WPT

我國(guó)在無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域的研究工作起步較晚，從本世紀(jì)初開(kāi)始，國(guó)內(nèi)才逐漸開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的研究，但主要集中在感應(yīng)式非接觸無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)和磁耦諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的研究上。中國(guó)科學(xué)院電工研究所是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展非接觸無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究的單位之一，取得了一定的研究成果[19]。2002年，重慶大學(xué)也開(kāi)始對(duì)非接觸式電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用進(jìn)行研究[20,21]，并成功研制了一套電動(dòng)汽車(chē)無(wú)接觸供電系統(tǒng)。東南大學(xué)自 2006年在無(wú)線(xiàn)能量傳輸方面也進(jìn)行相關(guān)的研究工作，并提出了電場(chǎng)耦合的光電機(jī)技術(shù)，以及磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)功率調(diào)頻控制技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充放電與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)[22,23]。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等[24-26]高校和科研機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究也做了大量的工作。隨著國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究的不斷升溫，2011年 10月在天津召開(kāi)了國(guó)內(nèi)首次“無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)”專(zhuān)題研討會(huì)[27]，參會(huì)專(zhuān)家討論了無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和存在的一些問(wèn)題，并達(dá)成了“天津共識(shí)”。該次會(huì)議為無(wú)線(xiàn)電能技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究與推廣具有重要的意義。

在諸多的無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式中，磁耦合諧振式能量傳輸技術(shù)由于傳輸距離遠(yuǎn)、對(duì)傳輸介質(zhì)依賴(lài)小、方向性要求不高等優(yōu)勢(shì)[16,27]，是當(dāng)前無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究領(lǐng)域中主要的研究熱點(diǎn)。本文接下來(lái)的部分主要圍繞磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，介紹其傳輸機(jī)理和模型建立主要分析方法，探討磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并對(duì)該技術(shù)目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。

2 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)

2.1 傳輸機(jī)理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)是利用共振的原理，合理設(shè)置發(fā)射裝置與接收裝置的參數(shù)，使得發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈以及整個(gè)系統(tǒng)都具有相同的諧振頻率，并在該諧振頻率的電源驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)可達(dá)到一種“電諧振”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)射端和接收端高效的傳遞。磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)主要由電源、能量轉(zhuǎn)換與傳輸裝置（線(xiàn)圈諧振器），能量接收裝置三部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖2 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)Fig.2 Magnetically coupled resonant WPT system

其中線(xiàn)圈諧振器是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。線(xiàn)圈諧振器性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在能量轉(zhuǎn)換能力上，關(guān)鍵因素在是否具有高的品質(zhì)因數(shù)[28,29]。從電路理論可知，線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)與線(xiàn)圈的電感，內(nèi)阻抗以及工作頻率緊緊相關(guān)（Q=ωL/R）。所以線(xiàn)圈諧振器的設(shè)計(jì)也主要從以上三個(gè)方面著手，提高諧振頻率和自身電感以及減小自身內(nèi)阻。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)，線(xiàn)圈諧振頻率較高，高達(dá)幾十MHz，但受高頻雜散電容參數(shù)（線(xiàn)圈對(duì)地、線(xiàn)圈匝間、線(xiàn)圈間）的影響，線(xiàn)圈的穩(wěn)定性比較差。

如果線(xiàn)圈的諧振頻率是利用線(xiàn)圈自身的電感和高頻雜散電容所形成的線(xiàn)圈自諧振頻率，雖然諧振頻率高達(dá)MHz，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性很不理想，系統(tǒng)的傳輸效率對(duì)頻率的選擇性較高（如圖3所示），尤其當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率偏離線(xiàn)圈的諧振頻率時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)急劇的下降。

圖3 傳輸效率隨頻率的變化Fig.3 Curve of transfer efficiency varied with frequency

為了提高能量傳輸穩(wěn)定性和可控性，學(xué)者們提出了一種折中的方法，用小的補(bǔ)償電容[30-32]的方式來(lái)代替諧振線(xiàn)圈的等效電容，雖然降低了線(xiàn)圈的自諧振頻率，卻大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

無(wú)論是利用自身參數(shù)進(jìn)行諧振頻率設(shè)計(jì)還是外接小的補(bǔ)償電容進(jìn)行頻率設(shè)計(jì)，目前在整個(gè)傳輸系統(tǒng)的模型分析上，很少針對(duì)線(xiàn)圈分布式參數(shù)進(jìn)行建模，大多數(shù)是通過(guò)耦合模、互感（電路）和二端口網(wǎng)絡(luò)等理論利用集中參數(shù)進(jìn)行建模[33-35]。

2.2 傳輸模型

2.2.1 耦合模理論

耦合模理論是一套微擾分析理論，可避開(kāi)復(fù)雜物理模型的分析，直接對(duì)物體間的能量耦合進(jìn)行分析。對(duì)于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的耦合強(qiáng)度相對(duì)較弱，因此耦合模理論在分析系統(tǒng)具有一定的適用性。根據(jù)耦合模理論，磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)可理解為發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈組成的耦合系統(tǒng)，當(dāng)考慮電源、線(xiàn)圈及負(fù)載損耗時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式方程為[36]

式中，a1(t)、a2(t)分別為發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的模式幅度分量；|a1(t)|2、 |a2(t)|2分別表示兩諧振線(xiàn)圈所存儲(chǔ)的能量；ω1、ω2為兩線(xiàn)圈的諧振角頻率，K12和K21為耦合系數(shù)（與線(xiàn)圈的互感、自感、諧振頻率有關(guān)）；τ為線(xiàn)圈的損耗系數(shù)，S(t)為激勵(lì)源。通過(guò)式（1）可求解出系統(tǒng)的諧振頻率、單個(gè)線(xiàn)圈的模式分量、能量，進(jìn)一步可求出傳輸效率、接收功率等。

通過(guò)式（1）不難看出，耦合模理論在分析系統(tǒng)的能量流通與轉(zhuǎn)換方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但該方法對(duì)系統(tǒng)具體參數(shù)較少涉及，同時(shí)線(xiàn)圈的模式分量與耦合系數(shù)等參數(shù)較難獲得。

2.2.2 互感理論

發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的電路模型如圖4所示，根據(jù)互感理論和基爾霍夫定律，列出發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈回路的電壓方程：

圖4 無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of WPT system

互感理論分析傳輸系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，也是目前廣泛使用的方法之一，利用式（2）所示的關(guān)系，根據(jù)兩線(xiàn)圈回路的自諧振頻率相同并且等于電源的輸出頻率的條件，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步求解，其關(guān)鍵是兩線(xiàn)圈間的互感。而互感是與線(xiàn)圈的匝數(shù)、半徑、間距等參數(shù)相關(guān)，尤其當(dāng)空間兩線(xiàn)圈分布位置不確定時(shí)，互感的求解比較復(fù)雜，目前仍未有一種精確的求解方法，多采用近似求解[14-16,22]。

2.2.3 二端口網(wǎng)絡(luò)

利用二端口網(wǎng)絡(luò)分析傳輸系統(tǒng)的模型是繼耦合模理論和互感電路理論之后又一主要研究手段，它將能量傳輸與轉(zhuǎn)換部分看成是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，其動(dòng)力學(xué)方程為

根據(jù)式（3）以及各端口的參數(shù)可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行求解。

圖5 系統(tǒng)二端口模型[37]Fig.5 Two-port model of WPT system

3 關(guān)鍵技術(shù)及待研究的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 高頻功率電源技術(shù)

磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸之所以能高效傳輸主要取決于系統(tǒng)能否工作在諧振狀態(tài)，對(duì)于一套設(shè)計(jì)好的線(xiàn)圈諧振器，故要求電源與諧振器之間的頻率要保持一致，如前所述諧振器一般設(shè)計(jì)為具有較好的諧振頻率，尤其在大功率能量傳輸方面要求電源不僅能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力還要具有相應(yīng)的輸出頻率，因此給電源的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。目前在兆赫茲的級(jí)別下能夠?qū)崿F(xiàn)的大功率電源方式主要有振蕩式、逆變式和功率放大式。

振蕩類(lèi)電源結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的振蕩電路有變壓器反饋式 LC振蕩電路、電感三點(diǎn)式LC振蕩電路和電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，但缺點(diǎn)也很明顯。振蕩電路的轉(zhuǎn)換效率較低，諧振頻率與振蕩的LCR參數(shù)相關(guān)，調(diào)節(jié)起來(lái)較為困難，目前在這一方面的研究較少，MIT所實(shí)現(xiàn)的磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中，采用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)[16,38]，雖然發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的能量轉(zhuǎn)換效率很高，在1m范圍內(nèi)可達(dá)90%，但整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率卻不到20%，可見(jiàn)電源的轉(zhuǎn)換效率極大地影響了整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)[39]也利用該技術(shù)在距離1m處實(shí)現(xiàn)了功率1kW的輸出，但系統(tǒng)的整體效率較低。

為了實(shí)現(xiàn)電源的可控，目前多采用電力電子逆變的方式實(shí)現(xiàn)[40-42]，但受電力電子器件的限制，該類(lèi)型的電源輸出頻率很難達(dá)到兆赫茲級(jí)別，一般情況下電源輸出頻率多從幾十kHz到幾千kHz不等，功率越大，頻率的提高實(shí)現(xiàn)起來(lái)越困難。

多數(shù)時(shí)候?yàn)榱藢で蟾哳l率的功率輸出，借鑒了用于射頻領(lǐng)域的電源技術(shù)，采用功率逐級(jí)放大的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻率大功率的電源設(shè)計(jì)，此類(lèi)電源頻率較高可達(dá)幾兆或更高[43,41]，不足之處在于逐級(jí)放大不僅損失了效率，而且對(duì)每一級(jí)的阻抗匹配要求比較嚴(yán)格，設(shè)計(jì)起來(lái)較為困難。目前多數(shù)無(wú)線(xiàn)電能傳輸研究所使用的頻段為工業(yè)科研醫(yī)療允許頻段（13.56MHz）或更高的頻段，采用的電源多采用射頻功率放大的原理實(shí)現(xiàn)[45]。

3.2 諧振器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.2.1 諧振線(xiàn)圈設(shè)計(jì)

除了電源以外，諧振器線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)也是磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一，如前所述高品質(zhì)因數(shù)的諧振器線(xiàn)圈對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響是至關(guān)重要的，它的參數(shù)與系統(tǒng)的傳輸效率、功率、傳輸距離等有著直接關(guān)系。

諧振器線(xiàn)圈自身參數(shù)的優(yōu)化主要從線(xiàn)圈自身的匝數(shù)、繞制方法、匝間距設(shè)計(jì)、材料選擇等方面考慮，結(jié)合系統(tǒng)的輸出性能要求對(duì)諧振器線(xiàn)圈進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[46,47]給出了在既定頻率下線(xiàn)圈的匝數(shù)選取的優(yōu)化方法，以及線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)不變的情況，通過(guò)改變線(xiàn)圈的半徑尺寸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效率優(yōu)化。文獻(xiàn)[48]采用超導(dǎo)材料制作的諧振器線(xiàn)圈，研究結(jié)果表明在其他條件不變的情況下，可將MIT提出的系統(tǒng)的傳輸距離從2m提高到100m，極大地提高系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸距離。文獻(xiàn)[49]則指出將銅導(dǎo)線(xiàn)表面覆蓋鐵等磁性介質(zhì)，能夠增加線(xiàn)圈的耦合以及減小臨近效應(yīng)引起的損耗。

另外作為一種新的研究方向，采用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手材料，也被研究用于提高系統(tǒng)的傳輸性能。

3.2.2 多線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)

多線(xiàn)圈設(shè)計(jì)指在能量的傳輸過(guò)程中，采用多于2個(gè)的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。采用多線(xiàn)圈設(shè)計(jì)的場(chǎng)合一般是在增加系統(tǒng)的傳輸效率、傳輸距離以及改變系統(tǒng)的能量傳輸方向等方面。文獻(xiàn)[16]通過(guò)采用四套線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈以降低電源側(cè)和負(fù)載側(cè)對(duì)發(fā)射和接收線(xiàn)圈品質(zhì)的影響，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射線(xiàn)圈和線(xiàn)圈最大化的能量轉(zhuǎn)換。MIT的Rafif E. Hamam等人參照量子干涉現(xiàn)象的電磁感應(yīng)透明效應(yīng)[50]，提出了中繼線(xiàn)圈的概念，通過(guò)在發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間增加一個(gè)同諧振頻率的線(xiàn)圈（如圖6所示），可以極大地提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低空間散熱損耗，在此基礎(chǔ)上，中繼線(xiàn)圈作為系統(tǒng)提高的一種手段被廣泛的研究[54]。文獻(xiàn)[51,52]采用多線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)一對(duì)多和多對(duì)一的傳輸結(jié)構(gòu)，即采用一個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈和多個(gè)接收線(xiàn)圈或多個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈對(duì)一個(gè)接收線(xiàn)圈的方式實(shí)現(xiàn)能量的傳輸（如圖7所示），都取得了較好的傳輸效果。

在能量傳輸方面，雖然磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸對(duì)方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，為了更好的實(shí)現(xiàn)能量的定向傳輸，多線(xiàn)圈設(shè)計(jì)也被應(yīng)用在改變能量傳輸路徑上[53]。通過(guò)改變不同中繼線(xiàn)圈的空間布局，從而達(dá)到改變能量傳輸路徑的效果。

圖6 采用中繼線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)[54]Fig.6 WPT system based the relay coils

圖7 多電源多接收線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[55]Fig.7 Structure of multi - power and multi - receiver coils WPT system

3.3 系統(tǒng)控制策略和優(yōu)化方法

3.3.1 頻率分裂及其優(yōu)化技術(shù)

頻率分裂現(xiàn)象是磁耦合諧振式和感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)都普遍存在的現(xiàn)象[56,57]，它是由于發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的耦合強(qiáng)度加強(qiáng)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)多個(gè)諧振頻率的現(xiàn)象。圖8給出了系統(tǒng)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載側(cè)接收到的功率情況，從圖8所示的結(jié)果不難看出，隨著發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離不斷加強(qiáng)（耦合強(qiáng)度增加），系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)接收功率不再出現(xiàn)在自然諧振頻率處。根據(jù)耦合模理論，一般情況下系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)三個(gè)諧振頻率，分別稱(chēng)為自然諧振頻率、奇/偶諧振頻率[58]（極值功率對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)）。這種現(xiàn)象不僅增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，而且增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

圖8 頻率分裂與傳輸功率的關(guān)系Fig.8 Relation of transfer power and frequency splitting

研究發(fā)現(xiàn)造成頻率分裂的主要原因是線(xiàn)圈之間的過(guò)耦合，為了解決頻率分裂目前主要從線(xiàn)圈的位置著手（如圖9所示）：①通過(guò)改變線(xiàn)圈之間的相對(duì)位置，從而減弱發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的互感，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域[59]；②改變兩線(xiàn)圈之間的旋轉(zhuǎn)角度，在不改變線(xiàn)圈的空間相對(duì)位置的情況下，改變發(fā)射或接收線(xiàn)圈的角度，可使得系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域；③改變負(fù)載電阻的大小，當(dāng)然在很多場(chǎng)合負(fù)載電阻是不易改變的，所以此種方法具有一定的局限性。

圖9 改變線(xiàn)圈間耦合的兩種方式Fig.9 Two ways to change the coupling between the coils

3.3.2 控制策略和優(yōu)化方法

諧振頻率是影響系統(tǒng)傳輸效率的一個(gè)主要因素，因此目前關(guān)于諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膬?yōu)化和控制大多是圍繞諧振頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前面也提到諧振器線(xiàn)圈的高品質(zhì)因數(shù)，往往導(dǎo)致系統(tǒng)在工作時(shí)穩(wěn)定性較差，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[60]提出了一種動(dòng)態(tài)跟蹤控制的方法，通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)反饋，不斷根據(jù)接收線(xiàn)圈的頻率變化調(diào)整電源側(cè)輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)諧振頻率的實(shí)時(shí)調(diào)諧。鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤控制在解決諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題上具有很大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)諧振頻率與傳輸效率之間的關(guān)系，文獻(xiàn)[61]提出了一種基于頻率分段的效率控制方法，通過(guò)在不同傳輸距離段采用不同的諧振頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸效率的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[62]利用相控電感來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振頻率調(diào)節(jié)，從而達(dá)到傳輸效率穩(wěn)定控制的目的。

3.4 電磁環(huán)境及其對(duì)生物體的影響

電磁環(huán)境問(wèn)題不僅是諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，還是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，根據(jù)MIT提出的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為幾個(gè)特斯拉，與核磁共振的磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)[16]。文獻(xiàn)[63]進(jìn)一步研究指出由于人體具有很大的磁導(dǎo)率，在該強(qiáng)度的磁場(chǎng)下，對(duì)人體的影響是很小。關(guān)于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的電磁環(huán)境問(wèn)題的研究尚處于起步階段，雖然有部分關(guān)于電磁磁路和電磁兼容性的研究，但總體上仍處于探索階段。

4 熱點(diǎn)研究領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域

將無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充放電中，不僅可以解決各類(lèi)充電樁的建設(shè)問(wèn)題，同時(shí)還可以分散電動(dòng)汽車(chē)充電的集中程度，還可以一定程度上緩解電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；浞烹妼?duì)電網(wǎng)的沖擊。

目前關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)廠商以及科研機(jī)構(gòu)等都在積極的開(kāi)展研究，并取得了顯著的成果[64,65]。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電已成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。

另外，電動(dòng)汽車(chē)作為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，規(guī)?；碾妱?dòng)汽車(chē)還可作為電網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高電動(dòng)汽車(chē)電網(wǎng)間的互動(dòng)能力，對(duì)智能電網(wǎng)的積極作用更顯著。具體優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

（1）可更好地抑制可再生能源的輸出波動(dòng)。無(wú)線(xiàn)充放電的電動(dòng)汽車(chē)具有更強(qiáng)的與電網(wǎng)的互動(dòng)能力，通過(guò)雙方的智能互動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)控制電動(dòng)汽車(chē)的合理充放電，從而達(dá)到抑制可再生能源輸出波動(dòng)，提高可再生能源的消納。

（2）可更好地減少對(duì)電網(wǎng)沖擊影響。相對(duì)于有線(xiàn)充電方式，無(wú)線(xiàn)充電方式充電地點(diǎn)更為分散，有利于電動(dòng)汽車(chē)充電的聚集度；由于不存在于電網(wǎng)的物理連接，無(wú)線(xiàn)充電方式更為靈活、安全，能分散連續(xù)充電時(shí)間，同時(shí)也大大減少快速充電的可能性。無(wú)線(xiàn)充電方式能有效減輕電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。

（3）可更好地發(fā)揮削峰填谷作用。無(wú)線(xiàn)充放電技術(shù)可以通過(guò)用戶(hù)意愿設(shè)定和電網(wǎng)智能調(diào)度，隨時(shí)隨地在停車(chē)位/停車(chē)場(chǎng)/移動(dòng)途中完成與電網(wǎng)互動(dòng)，執(zhí)行充放電操作，完成蓄能/釋能過(guò)程。電動(dòng)汽車(chē)作為移動(dòng)儲(chǔ)能工具，能更好地發(fā)揮削峰填谷的作用，平衡負(fù)荷，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，有效節(jié)約能源。

（4）減低對(duì)電池容量的要求。電動(dòng)汽車(chē)電池是限制電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)行駛15萬(wàn)km，電池就面臨失效問(wèn)題，用戶(hù)只能更換新電池。而無(wú)線(xiàn)充電方式相對(duì)可以減小對(duì)電池容量的要求，減低更換新電池的成本。例如 2010年3月9日在韓國(guó)首都首爾南部一座游樂(lè)園內(nèi)首次使用的一款無(wú)線(xiàn)充電的公交汽車(chē)系統(tǒng)，所使用的電池體積只是傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)電池的五分之一，而且不需要長(zhǎng)時(shí)間充電；2011年歐洲進(jìn)行了利用公交車(chē)進(jìn)站停站時(shí)間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的實(shí)驗(yàn)，公交車(chē)的電池容量從 145kW·h降到 45kW·h。

4.2 智能家居

智能家居近些年逐漸被人們所關(guān)注，其中智能家電的供電中無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)具有突出的優(yōu)勢(shì)，為擺脫傳統(tǒng)充電線(xiàn)纜的限制，最大化體現(xiàn)便捷、人性化，“無(wú)尾”家電設(shè)備逐漸被提出。諸如 “免電池”無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)以及手機(jī)、筆記本電腦無(wú)線(xiàn)充電終端

等[66,67]。

4.3 醫(yī)療設(shè)備

無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用主要集中植入式醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線(xiàn)供電中，諸如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、全人工心臟、人工耳蝸和視網(wǎng)膜假體[68-70]等。植入式醫(yī)療設(shè)備一般的供電功率需求很小，在幾十微瓦到幾十瓦不等，多采用經(jīng)表皮的直接供電、植入式電池?zé)o線(xiàn)充電等方式。例如，加利福尼亞大學(xué)G. X. Wang等人研制的人工視網(wǎng)膜供電裝置[71]。日本東北大學(xué)小柳光教授，試制出的可從外部向植入眼球的人工視網(wǎng)膜用進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的系統(tǒng)。英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究成功的一款能將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的“迷你發(fā)電機(jī)”，可望將來(lái)能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電。

人體植入設(shè)備的非接觸電能傳輸也是無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)闹饕獰狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一，植入式設(shè)備采用無(wú)線(xiàn)供電具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 供電中沒(méi)有物理連接，避免了導(dǎo)線(xiàn)與皮膚的直接接觸，防止感染引起的并發(fā)癥。

（2） 解決了植入式電池電能耗盡后需手術(shù)更換的問(wèn)題，提高手術(shù)后病人的生活質(zhì)量。

（3）與人體皮膚沒(méi)有直接的電氣連接，不存在裸露的導(dǎo)線(xiàn)和接觸機(jī)構(gòu)，消除了意外電擊的可能性，提高了設(shè)備對(duì)人體的安全等級(jí)。

（4）不存在直接的摩擦，消除了機(jī)械上的磨損和電氣腐蝕，具有高可靠性和免維護(hù)性。

（5） 由于非接觸變壓器一、二次是非緊密耦合的，系統(tǒng)在變壓器一、二次產(chǎn)生一定程度的錯(cuò)位時(shí)仍可正常工作，提高了供電時(shí)的靈活性和病人的舒適性。

4.4 工業(yè)應(yīng)用

無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)隨著不斷的成熟和發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域也有非常廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)上一些特殊場(chǎng)合如化工設(shè)備中的檢測(cè)裝置、水下機(jī)器人、分布式傳感器的供電問(wèn)題等等[72,73]，這些場(chǎng)合下的用電裝置一般采用換電池模式或用電纜輸電，給設(shè)備的正常使用和維護(hù)帶來(lái)了諸多的不便，而無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)成了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和公司研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。

5 存在的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)不是一個(gè)新的概念，但新技術(shù)和新應(yīng)用的引入逐漸使其成為一門(mén)新的研究學(xué)科。尤其無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)具有傳統(tǒng)電源線(xiàn)供電技術(shù)所未有的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)一步突破將在電動(dòng)汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)、電子等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。雖然近些年以磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)逐漸興起，實(shí)際上仍有很多問(wèn)題亟待解決，如理論不夠完善，現(xiàn)有的分析理論雖然能夠給實(shí)際的研究提供一定理論支撐，但關(guān)于系統(tǒng)特性、參數(shù)優(yōu)化、空間電磁場(chǎng)分布等研究仍沒(méi)有較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇椒ā?/p>

高頻功率電源和整流技術(shù)仍未有較好的解決，現(xiàn)有的高頻電源方案普遍存在效率低下、設(shè)計(jì)復(fù)雜等弊端。系統(tǒng)的控制和優(yōu)化問(wèn)題有待解決，對(duì)于高品質(zhì)因數(shù)諧振器線(xiàn)圈給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)的不穩(wěn)定性問(wèn)題，也未得到有效地解決。當(dāng)然作為目前能實(shí)現(xiàn)中程距離能量傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)方式，仍具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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