無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展及研究方向淺析

王敏星 李大偉

摘要：目前無線電能能夠傳輸技術(shù)成為一個(gè)新興的研究方向。首先介紹了目前幾種主流的無線電能傳輸技術(shù)，針對比較有前景的的磁耦合諧振式無線電能傳輸和借助磁材料的無線電能傳輸方式，從目前研究的幾個(gè)重要方向分別就其研究問題、研究內(nèi)容和研究趨勢進(jìn)行淺析，并對未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸；非接觸；磁耦合；共振

作者簡介：王敏星（1964-），男，河南濟(jì)源人，河南省濟(jì)源市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，工程師；李大偉（1987-），男，河南濟(jì)源人，河南省電力公司濟(jì)源供電公司。（河南 濟(jì)源 459000）

中圖分類號：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0263-03

無線電能傳輸技術(shù)（WPT，Wireless Power transfer）能夠?qū)崿F(xiàn)無導(dǎo)線連接情況下的電能傳遞，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用、礦井采掘、移動設(shè)備充電等特殊場合具有較大的應(yīng)用前景。隨著移動通信設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、電動汽車等技術(shù)的快速發(fā)展，近年來發(fā)展非常迅速，并且取得了較大的進(jìn)展。伴隨著研究和市場化的不斷深入，作為一種前景廣闊的電能傳輸方式，在電磁兼容、人體健康和傳輸效率等方面都產(chǎn)生新的研究問題，需要進(jìn)一步明晰研究方向并針對存在的問題深入研究。

一、無線電能傳輸技術(shù)的方式

雖然采用超聲波和其他機(jī)械波能夠無線傳輸能量，但目前無線電能傳輸?shù)闹髁鞣绞饺允抢秒姶艌鰝鬏斈芰俊念l率的角度來說，采用的頻率包括從若干GHz跨越到若干kHz的廣大范圍。在較高頻率段，利用微波傳輸能量（甚高頻以上的頻率范圍，頻率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通過控制發(fā)射天線的朝向使能量以電磁波的形式準(zhǔn)確發(fā)射到接收天線。該方法傳輸方向性較強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)，但易被障礙物遮擋，還需要較復(fù)雜的天線對準(zhǔn)裝置。而且高頻電磁波的生物安全性較差，高功率的電磁波對人體有較大傷害，因此在民用領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)會較少。磁耦合諧振式無線電能傳輸方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁場頻率在10MHz以下，通過電諧振體之間的耦合磁場來傳輸電能。這種方法可以在一定的距離（幾厘米到幾米）范圍內(nèi)傳送能量，功率值可以達(dá)到幾百瓦。而感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁場的耦合程度，可以傳送較大的功率，效率較高。但由于磁材料的限制，工作頻率不宜過高，通常在1MHz以下。在距離增大時(shí)，磁材料之間的氣隙增加，耦合程度急劇降低，因此傳輸距離相對較近（常常在幾毫米到幾十厘米）。在民用和工業(yè)應(yīng)用中，磁耦合諧振式無線電能傳輸（MCRWPT）和感應(yīng)耦合式（MIWPT）的傳輸距離基本滿足常用設(shè)備的充電距離要求，從理論上能夠獲得更大的功率和更高的效率，因此具有較大前景，是目前研究的熱點(diǎn)。本文從幾個(gè)方面介紹此兩項(xiàng)技術(shù)的研究與發(fā)展。

二、研究內(nèi)容和研究方向

1.基本理論和技術(shù)研究

率及效率的模型研究：目前對無線電能傳輸方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]電磁場分析方法、[3，4]等效電路法[5]等。

耦合模方法可見文獻(xiàn)[1]所采用的基本方程表達(dá)式：

（1）

其中：為代表諧振體中的能量；為激勵角頻率；為自損耗系數(shù)；為諧振體m和n之間的耦合系數(shù)；為代表外加驅(qū)動的驅(qū)動項(xiàng)。

其基本思想是，給出系統(tǒng)的源、損耗及特征量，通過求解器損耗與特征量的關(guān)系，即求得系統(tǒng)效率及傳輸功率的解。電磁場方法根據(jù)電磁場理論求解電磁場方程，以此求得傳輸效率等結(jié)果。而等效電路方法主要針對磁耦合的特點(diǎn)，利用電路理論求解電路方程，以此獲得系統(tǒng)的結(jié)果。

幾種建模方法各有優(yōu)劣：耦合模方法可以從能量角度進(jìn)行分析，但是不夠直觀；電磁場分析方法理論上可以計(jì)算非常詳盡的電磁場分布[3]，理論上可以計(jì)算出耦合磁場能量傳輸細(xì)節(jié)。但過于復(fù)雜性，不便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。通常借助電磁場仿真軟件以求得分部場的直觀數(shù)值解。等效電路法應(yīng)用直觀，是目前采用較多的方法，但是由于對電磁場進(jìn)行了低頻簡化，對高頻條件下電磁特性描述較粗略，不利于有關(guān)電磁場方面的研究。理論未來的研究方向?qū)⒔⒏訙?zhǔn)確和合理的分析模型，甚至提出更加新穎的傳輸模式，從理論高度提高系統(tǒng)的指標(biāo)，并以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造無線電能傳輸裝置。

第二，線圈結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。根據(jù)電路互感模型的一般結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

通?？梢缘玫揭韵戮仃囆问降姆匠蹋?/p>

（2）

諧振條件下傳輸效率：

線圈2在線圈1中產(chǎn)生的反映阻抗為，可見反映阻抗中負(fù)載側(cè)電阻值位于分母中，對于源側(cè)的影響變?yōu)樨?fù)向變化。即負(fù)載側(cè)電阻值越高，傳輸效率越小。實(shí)際電路中，通常源內(nèi)阻和負(fù)載線圈側(cè)的電阻RB2往往較大。因此，雙線圈結(jié)構(gòu)傳輸效率往往較低。但根據(jù)上述分析，通過改變系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)和數(shù)量，可以改變不同線圈中的反映阻抗，進(jìn)而改變耦合系統(tǒng)的效率、傳輸功率和傳輸效率。因此出現(xiàn)了三線圈[5]、四線圈[1]和多線圈[6]等情況。

第三，參數(shù)匹配方法及參數(shù)設(shè)計(jì)。在確定整體結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，還需要計(jì)算和均衡線圈的各項(xiàng)參數(shù)。線圈按照諧振的形式主要有自諧振線圈和電容-線圈諧振線圈。按照線圈的纏繞方式可分為密繞線圈、平面線圈、螺旋線圈等。電路參數(shù)主要有電感值、電容值和電阻值等。對于高頻線圈還存在著寄生電容等高頻參數(shù)。在分析和設(shè)計(jì)中，對上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過增加耦合程度、減少內(nèi)阻和提高品質(zhì)因數(shù)以提高系統(tǒng)性能。目前的研究主要集中在線圈結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)等方面，[7]針對線圈的新構(gòu)形和新材料的研究也是一個(gè)重要的研究方向。

2.無線電能傳輸?shù)募钤?/p>

激勵源是無線電能傳輸?shù)暮诵脑?。相對于普通的高頻信號源和開關(guān)電源，激勵源不但工作在高頻條件下，而且還要承擔(dān)功率變換的功能。作為能量傳輸路徑中第一個(gè)環(huán)節(jié)，對無線電能傳輸系統(tǒng)的總體指標(biāo)的影響非常顯著。而且由于電路中諧振作用，功率元件往往要承受諧振電壓或者諧振電流的沖擊，其數(shù)值會遠(yuǎn)超過系統(tǒng)輸入電壓或者輸入電流。因此，無線電能傳輸?shù)募钤丛O(shè)計(jì)更加困難。目前多采用的是D類開關(guān)型和E類諧振型放大電路。按照功率元件的數(shù)量和結(jié)構(gòu)，有單管、非對稱半橋、全橋等。該方向的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)高頻大功率條件下的高效率、低損耗和微型化，設(shè)計(jì)出更加適合無線電能傳輸?shù)膶Ｓ酶哳l激勵源。

3.電路結(jié)構(gòu)研究

由于無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍愈加廣闊，需要適應(yīng)和滿足更加苛刻和多樣化的工作條件與限制。例如為了實(shí)現(xiàn)電動汽車在電網(wǎng)運(yùn)行中能量緩沖的作用，無線充電裝置不僅需要單向充電，而且還需要將能量從電動汽車反向傳輸給電網(wǎng)。醫(yī)用領(lǐng)域中對系統(tǒng)的體積和可靠性指標(biāo)的要求非?？量?，因此無線電能傳輸裝置既要盡量壓縮體積、提高可靠性，而且還要實(shí)現(xiàn)能量和信號的同時(shí)傳輸。越來越多新的應(yīng)用呼喚更加多功能和更強(qiáng)適應(yīng)性的無線電能傳輸裝置。因此需要提出更多新型的多功能電路結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)電路的緊湊性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]

4.標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章及醫(yī)學(xué)影響

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了三個(gè)主要的無線電能傳輸標(biāo)準(zhǔn)（聯(lián)盟），其中Qi聯(lián)盟成立于2008年12月，目前已推出針對便攜電子產(chǎn)品的低于5W以下設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，未來還將會提出更大功率的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而形成體系。[10]

對人體影響的疑慮貫穿于整個(gè)無線電能技術(shù)的發(fā)展，這方面的研究始終是重點(diǎn)之一，包括醫(yī)學(xué)相關(guān)性、輻射限制和磁場控制等多個(gè)方面。目前多采用計(jì)算機(jī)仿真和人體模擬的方式研究對人體的影響。未來將會進(jìn)一步深入研究無線電能傳輸裝置的生物性影響；同時(shí)，通過技術(shù)手段減少磁場泄露和影響，以滿足相關(guān)的限制性標(biāo)準(zhǔn)。

5.醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

由于無線電能傳輸避免了導(dǎo)線的束縛，人體內(nèi)部植入設(shè)備的應(yīng)用將會變得非常便利，因此無線電能傳輸在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用始終受到最大的關(guān)注。[11]但人體內(nèi)植入設(shè)備中，體積要求十分苛刻而且傳輸路徑需要經(jīng)過人體組織。因此提高微小尺寸線圈的品質(zhì)因數(shù)，提高傳輸效率[12]和研究高頻電磁場對人體組織的影響是目前的主要研究方向。現(xiàn)在，無線電能傳輸技術(shù)在經(jīng)皮植入裝置、心臟起搏器、消化道機(jī)器人等方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。通過無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用，未來人體植入醫(yī)療設(shè)備將會有較大的發(fā)展，會大大改變?nèi)祟惖脑\斷和治療方式。

6.電動汽車充電裝置

由于具有無接觸、無連接和無漏電的特性，無線電能充電裝置在電動汽車充電領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為無線電能傳輸?shù)囊粋€(gè)熱門研究方向，而且正在逐步實(shí)用化。主要分為固定式和移動式兩大方向。固定式在充電過程中車體保持不動，其傳輸距離和傳輸功率已經(jīng)能夠滿足電動汽車底盤高度、電動汽車充電功率的要求。移動式電動汽車無線充電方式可以隨時(shí)向行進(jìn)中的電動汽車補(bǔ)充能量，因此可以減少相同運(yùn)行里程條件下電動汽車所需的電池容量。目前，電動汽車充電技術(shù)的主要研究方向是進(jìn)一步提高傳輸效率、距離和功率，并且針對偏移情況、雙向傳輸、控制方式等問題展開研究。電動汽車的無線充電技術(shù)將會推動電動汽車的實(shí)用進(jìn)程，無線充電技術(shù)的需求也將越來越大，市場前景更加廣闊。

三、結(jié)論

無線電能傳輸技術(shù)經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，其發(fā)展趨勢愈加迅猛。未來的研究將更加深入和細(xì)致，并且進(jìn)一步向應(yīng)用方向推進(jìn)，實(shí)用化腳步愈發(fā)加快。隨著研究內(nèi)容更加深入及人們對該技術(shù)的逐漸接受和認(rèn)可，未來其市場和應(yīng)用前景更加廣闊。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）