淺析諧振耦合式無線充電技術(shù)

楊盟瑤　毛先柏　徐傳煜　潘東

【摘要】 諧耦耦合式能量無線傳輸技術(shù)是一種新型的電能傳輸技術(shù)，具有重要的研究價值和實用價值，因而受到了學術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。本文介紹了諧振耦合式無線充電技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并針對該技術(shù)在電能傳輸上存在的部分疑難問題提出了相應的解決方向，然后闡述了該技術(shù)與RFID、智能家居、電動車等領(lǐng)域的創(chuàng)新結(jié)合，最后展望了其發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】 諧振耦合 無線充電 RFID 智能家居

一、引言

所謂無線充電技術(shù)通常指的是電能的無線傳輸技術(shù)，通俗的說，就是不借助實物連線實現(xiàn)電能的無線傳達。這樣做的好處是方便、快捷，減少在苛刻條件下使用電纜帶來的危險性等。關(guān)于無線充電技術(shù)的研究開始較早，早在1900年，尼古拉·特拉斯就開始無線電能傳輸?shù)膶嶒?，?jīng)過一百多年的發(fā)展，關(guān)于無線傳電的方法多種多樣，但是基本原理大概可以分為以下三種：電磁感應式、無線電波式、諧振耦合式，通過非輻射磁場內(nèi)兩線圈的共振效應實現(xiàn)中距離的無線供電。

從表1對比可知， 諧振耦合式無線充電技術(shù)的非輻射性、高效率等優(yōu)點是其它無線充電技術(shù)無法相比的。所謂諧振耦合式就是利用接收線圈的電感和并聯(lián)的電容形成共振回路，在接收端也組成同樣共振頻率的接收回路，利用諧振形成的強磁耦合來實現(xiàn)高效率的無線電能傳輸。該技術(shù)的出現(xiàn)引起了國內(nèi)外學術(shù)界與工業(yè)界的巨大興趣，被公認為目前最具發(fā)展前景的一種無線能量傳輸技術(shù)方案。

但是目前基于諧振耦合式的無線充電技術(shù)的研究偏向理論化，缺乏對實際應用有定量指導意義的研究成果，同時此技術(shù)傳輸功率較小遠遠不能完成大功率能量傳輸，也存在著能量損失較高等缺陷。但毋庸置疑，諧振耦合式無線充電技術(shù)對充電設備位置的靈活性以及充電設備的高效匹配性具有重要的實用價值。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無線能量傳輸?shù)臉?gòu)想最早可以追溯到19世紀80年代，由著名電氣工程師（物理學家）尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出。為證實這一構(gòu)想，特斯拉建造了巨大的線圈用于實驗使用。由于實驗耗資巨大，最終因財力不足沒有得到實現(xiàn)，隨后也一直被技術(shù)發(fā)展水平所限制。

國外對無線充電技術(shù)的研究開展的比較早。1968 年，美國著名電氣工程師P. E. Glaser在W. C. Brown提出的微波無線能量傳輸（WPT）概念的基礎(chǔ)上提出了衛(wèi)星太陽能電站（SSPS）的概念。隨后美國，日本和歐洲等國都試圖把這項技術(shù)作為獲取新能源的手段，但由于該方案在技術(shù)上要求很高，故在實際使用上存在一定的局限性。隨后，一家名為 Powercast 的公司推出了一款利用無線電波充電的充電裝置，實現(xiàn)了距離為1米左右的低功率無線充電。

另一方面，在20世紀70年代，美國出現(xiàn)了電磁感應能量傳輸原理的無線電動牙刷。這項應用的傳輸功率和傳輸距離都不是很理想，但其無線的特征卻恰好滿足了其特殊條件下的應用要求。近年來，美國、日本、新西蘭、德國等國家相繼在這項技術(shù)上繼續(xù)深入研究，目前已經(jīng)研發(fā)了很多實用的產(chǎn)品：美國通用汽車公司研制出的 EV1 型電車；日本大阪幅庫公司研制出的單軌型車和無電瓶自動貨車；2013年10月，瑞典汽車制造商沃爾沃聲稱成功地研制出電磁感應式無線充電汽車。

國內(nèi)對無線充電技術(shù)的研究相對較晚。目前在無線電波和電磁感應無線能量傳輸方面取得的主要成果有：2005年8月，香港城市大學電子工程學系教授許樹源教授宣布成功研制出“無線電池充電平臺”；中科院嚴陸光院士帶領(lǐng)的研究小組從高速軌道交通的角度對運動型應用進行了性能分析；2007年2月，重慶大學自動化學院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組突破技術(shù)難點，設計的無線電能傳輸裝置實現(xiàn)了600至1000W的電能輸出，傳輸效率達到 70%。

諧振耦合式方案是2006年由美國麻省理工學院物理系助理教授 Marin Soljacic 所帶領(lǐng)的研究團隊提出來的。并于 2007 年 7 月 6 日在科學雜志《Science》上發(fā)表成果文獻。團隊利用該方案，成功的點亮了距離為2米外的一個60 瓦的燈泡，傳輸效率為40%左右。此項稱為“Witricity”技術(shù)，該技術(shù)樹立了無線充電技術(shù)發(fā)展史的里程碑。一年后，Marin Soljacic團隊聲稱已將傳輸效率提高至90%。

由于該技術(shù)極具前景和市場，世界各國的相關(guān)機構(gòu)和公司也不約而同的進行深入研究。2010 年 1 月，海爾在美國拉斯維加斯舉行的國際消費電子展（CES）上展出了最新概念產(chǎn)品無尾電視。一方面，產(chǎn)品運用無線通信技術(shù)傳輸視頻信號；另一方面，又使用諧振耦合式充電技術(shù)供電，真正實現(xiàn)了無線化。

三、發(fā)展疑難點及解決方案

3.1 如何克服干擾源的影響

無線能量傳輸系統(tǒng)工作在包含各種用電設備的電磁環(huán)境中，易受到外界電磁源的干擾。一方面，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)以磁場為能量傳輸介質(zhì)，任何能感應到磁場的元件都可能成為負載，這種情況為無源干擾源，稱為負載類干擾，干擾源稱為負載類干擾體；另一方面，外磁場也會影響能量傳輸系統(tǒng)的磁場，這種情況為有源干擾，其干擾源為干擾場源。這些干擾都會降低系統(tǒng)的傳輸效率。根據(jù)無線輸電原理，本文提出以下兩個解決方案：（1）選擇隔磁的充電空間。為了避免干擾源對能量傳輸系統(tǒng)的影響，可以把能力傳輸系統(tǒng)與干擾源隔離，故可以利用電磁屏蔽技術(shù)，使系統(tǒng)不受外界干擾源影響。電磁屏蔽的工作原理是利用反射和衰減來隔離電磁場的耦合，所以可以制作屏蔽體，來保護系統(tǒng)免受外界電磁波干擾。如屏蔽導電漆就是能用于噴涂的一種油漆，干燥形成漆膜后能起到導電的作用，從而屏蔽電磁波干擾。（2）控制能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率。由磁耦合諧振式無線能量傳輸機理的研究知，能量傳輸系統(tǒng)對干擾源的頻率十分敏感。在實際應用中，0.5～25MHz 尚屬于空白應用頻率段，因此可以在設計能量傳輸系統(tǒng)的時候，使系統(tǒng)的諧振頻率滿足電磁耦合的同時盡量處于0.5～25MHz之間，這樣有可能降低實際應用中的電子設備對無線能量傳輸系統(tǒng)的影響。endprint

3.2 如何提高傳輸距離

美國麻省理工學院物理系助理教授 Marin Soljacic 所帶領(lǐng)的研究團隊成功地點亮了距離為 2 米外的一個 60 瓦的燈泡。但目前這種技術(shù)的最遠充電距離只能達到2.7m，傳輸距離較近嚴重限制了它的應用。由于傳輸距離的遠近與能量傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，現(xiàn)提出如下解決思路：改變電路參數(shù)角度來提高傳輸距離。研究表明，傳輸距離受到頻率、線圈參數(shù)等的影響。線圈的諧振頻率越高，傳輸?shù)木嚯x越遠；線圈的線徑越大，傳輸?shù)木嚯x越遠；線圈的直徑越大，傳輸?shù)木嚯x越遠；線圈的匝數(shù)越多，近距離傳輸效果強于遠距離傳輸效果。因而可以綜合頻率、線圈參數(shù)等因素，選定合適的電路器件，使系統(tǒng)傳輸距離較遠。

3.3 是否存在有害電磁輻射

磁耦合諧振式無線充電技術(shù)的原理告訴我們，由于電感線圈的存在，必然會產(chǎn)生磁力線輻射，那么這樣的磁場會不會造成電磁輻射危害人們的身心健康呢？在電流的輻射方面，目前無線充電器基本上將交流電整流后轉(zhuǎn)換為直流電，且功率極小，業(yè)內(nèi)人士也一直在強調(diào)理論上對人的健康不構(gòu)成威脅。但是輻射的問題，現(xiàn)在也只是停留在理論分析上，到底會不會，依舊是需要更進一步的理論分析和實驗研究，只能讓時間來證明。

四、發(fā)展前景及創(chuàng)新

4.1 RFID與無線充電技術(shù)的融合

射頻識別技術(shù)是利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）傳播來實現(xiàn)無接觸式信息傳遞并通過所傳遞信息達到自動識別自標的一種技術(shù)，將RFID技術(shù)與無線充電技術(shù)相結(jié)合，對每個無線充電設備嵌入RFID電子標簽，讀寫器通過射頻信號同電子標簽進行通信，保證被充電設備與充電系統(tǒng)的完全分離，實現(xiàn)能量的高效率無線傳輸。

4.2 智能家居與無線充電技術(shù)融合

智能家居是物聯(lián)化的一個體現(xiàn)，最終發(fā)展方向之一是終端無線化。應用無線充電技術(shù)，可以使各家電系統(tǒng)自動獲取電能，進一步實現(xiàn)智能家居的自動控制化。但在無線輸電過程中產(chǎn)生的磁場是否會影響到各級系統(tǒng)裝置的正常工作有待進一步考證。如果相互影響問題得到有效的解決，無線充電設備與常規(guī)家電設備能有效共存，則是智能家居與無線充電兩大領(lǐng)域的完美結(jié)合，勢必進一步改變?nèi)祟惿睢?/p>

4.3 電動汽車與無線充電技術(shù)融合

無線充電技術(shù)對手機等小型電子產(chǎn)品而言，是個錦上添花的新功能，對電動車產(chǎn)業(yè)而言，則可能是啟動整個市場的關(guān)鍵。對電動汽車進行無線充電，沒有外露的連接器，可以徹底避免漏電、跑電等安全隱患。同時采用電磁共振式無線充電技術(shù)，可以將電源和變壓器等設備隱蔽在地下，讓汽車在停車處或街邊特殊的充電點充電。若能將無線充電技術(shù)應用于電動車產(chǎn)業(yè)，將是電動車行業(yè)的一大改革。

五、結(jié)束語

諧振耦合式無線充電技術(shù)是目前最被看好的無線充電技術(shù)之一，從長遠來看具有廣泛發(fā)展空間及應用前景。但是每一種無線輸電方式都有一系列的關(guān)鍵問題需要解決，如何實現(xiàn)電磁共振式無線充電技術(shù)應用的大型化、高效化與距離化，是各國科學家探索研究的重點。隨著技術(shù)水平的提升，無線充電技術(shù)發(fā)展迅速，應用逐漸成熟，技術(shù)普及逐步實現(xiàn)，在未來的各種場合，無線充電技術(shù)無疑將扮演重要角色，服務全人類。

參 考 文 獻

[1] 曲立楠，磁耦合諧振式無線能量傳輸機理的研究，哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2010

[2] 范明，諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)研究，太原理工大學碩士論文，2012

[3] [德]Klaus finkenzeller 著.射頻識別（RFID）技術(shù)——無線電感應的應答器和非接觸IC 卡的原理與應用（第二版）

[4] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M]. 北京：北京理工大學出版社，2002endprint