無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

陳尚+陳曦冉

摘要：隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，無(wú)線電能傳輸技術(shù)越來(lái)越備受關(guān)注，特別是一些特定的場(chǎng)合，相比于傳統(tǒng)電線供電方式，無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高設(shè)備供電的可靠性、便攜性和安全性。該文在講無(wú)線電能傳輸技術(shù)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，闡述了現(xiàn)有幾種無(wú)線電能傳輸技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，最后對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討與展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；磁諧振耦合；磁感應(yīng)耦合；微波輻射

中圖分類(lèi)號(hào)：TB97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）06-0240-03

作為一種傳輸技術(shù)，無(wú)線電能傳輸（WPT）傳輸能量主要依靠電磁波或電磁場(chǎng)。無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞接腥N：一是電磁感應(yīng)式，經(jīng)常應(yīng)用于功率較低、距離較近的電能傳輸。二是電磁共振式，經(jīng)常應(yīng)用于功率中等、距離中等的電能傳輸。三是電磁輻射式，經(jīng)常應(yīng)用于功率較大、距離較遠(yuǎn)的電能傳輸。近些年來(lái)，無(wú)論是電力電子器件，還是功率變換、材料學(xué)以及控制技術(shù)等都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，伴隨著這種形勢(shì)，逐漸的無(wú)線電能傳輸變成了現(xiàn)實(shí)，受到的關(guān)注也是越來(lái)越多。傳統(tǒng)的電力傳送采用的傳送載體主要是電纜線。采用這種方式進(jìn)行電力傳輸，摩擦和傳輸損耗都難以避免，加之如果線路老化，再有尖端放電等因素的影響，很容易因?yàn)榻佑|產(chǎn)生火花，這對(duì)于供電安全來(lái)講，無(wú)疑是致命的缺陷，根本沒(méi)有什么可靠性可言。此外，采用傳統(tǒng)的電力傳送方式，大大地縮短了電氣設(shè)備的使用壽命，并且較差的電氣設(shè)備相互接觸，會(huì)增加接觸電阻、引發(fā)高溫，這樣形成火災(zāi)的可能性就進(jìn)一步加大。在礦井、石油開(kāi)采這些特殊場(chǎng)合里，傳統(tǒng)的電纜線以上缺點(diǎn)是非常致命的，很可能引起爆炸、火災(zāi)，這會(huì)帶來(lái)極大的安全隱患和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在水下，傳統(tǒng)的電纜供電方式還會(huì)導(dǎo)致水里的人被電擊。但是WPT不存在導(dǎo)線連接，主要利用電磁感應(yīng)、微波、電磁共振等形式來(lái)傳輸電能，完全可以避免傳統(tǒng)電纜輸電帶來(lái)的各種危害，因此無(wú)線輸電是一種安全、可靠的新型電能傳輸方式。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

無(wú)線電能傳輸技術(shù)在國(guó)外的研究比較早，在二十世紀(jì)七十年代中期，無(wú)線電動(dòng)牙刷就已經(jīng)出現(xiàn)。到九十年代初，奧克蘭大學(xué)（新西蘭）圍繞感應(yīng)耦合功率傳輸技術(shù)（ICTP）進(jìn)行深度探究，該項(xiàng)技術(shù)將研究的焦點(diǎn)放在了移動(dòng)設(shè)備身上，尤其是對(duì)工作于惡劣環(huán)境之下的設(shè)備加大了關(guān)注力度，比如電梯、傳送帶、運(yùn)行貨車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、起重機(jī)、手提充電器，以及井下、水下的設(shè)備。其距離、能量等級(jí)、效率這些指標(biāo)都在不斷的提高。

縱觀近年來(lái)國(guó)外的研究理論和實(shí)驗(yàn)成果，目前，圍繞無(wú)接觸功率傳輸開(kāi)展的研究，主要集中在近距離傳輸方面，對(duì)于帶氣隙變壓器模型，無(wú)論是理論分析還是實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，國(guó)外的研究者都取得了較好的成績(jī)。與近距離傳輸研究相對(duì)，國(guó)外關(guān)于遠(yuǎn)距離無(wú)接觸功率傳輸，研究相對(duì)較少，相應(yīng)取得的成果也不多。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們最近完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們使用兩個(gè)距離2米的銅線圈，用“電磁共振原理”成功的點(diǎn)亮了一個(gè)功率為60W的電燈泡，如圖1所示。隨后又提出用一個(gè)電源同時(shí)向多個(gè)用電設(shè)備供電的方案，與給單個(gè)設(shè)備供電相比，系統(tǒng)的傳輸效率有了一定的提高[1-2].次年9月，內(nèi)華達(dá)州雷電實(shí)驗(yàn)室通過(guò)無(wú)線傳輸，將800W電力傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離。在2011年3月，東京舉行安防用品展會(huì)上，松下公司推出了一款太陽(yáng)能電池板可以進(jìn)行無(wú)線充電。在2012年9月，諾基亞聯(lián)合微軟發(fā)布了一款能無(wú)線充電的手機(jī)。這些事件都標(biāo)志著無(wú)線電能傳輸技術(shù)正在一步步的走向成熟。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究起步比較晚，但也取得了一定的成就。此項(xiàng)研究工作在國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)在2001年，西安石油學(xué)院的李宏，就感應(yīng)電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于礦井用感應(yīng)電力機(jī)車(chē)的可行性開(kāi)展研究，并發(fā)表了第一篇研究文章。

同年，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的孫躍教授開(kāi)始了對(duì)電磁感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸進(jìn)行大量的研究，與海爾集團(tuán)以及奧克蘭大學(xué)課題組主要成員Patrick AiguoHu博士合作，將學(xué)術(shù)交流以及科技合作推向了更深層次，也促進(jìn)他們?cè)诶碚摷夹g(shù)方面取得了顯著成績(jī)[3]。2002年該研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于充電汽車(chē)、日常電器等領(lǐng)域。同時(shí)孫躍教授對(duì)電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸及其應(yīng)用也進(jìn)行了研究[4]，制作了平面型的諧振線圈，在諧振頻率為7.7MHz，距離為80cm實(shí)現(xiàn)60W的電能輸出，效率達(dá)到了52%。關(guān)于非接觸感應(yīng)供電關(guān)鍵技術(shù)，該課題組于2007年取得了突破性進(jìn)展，攻克了技術(shù)上的難題，在理論方面建立了完整的體系，還研究制作出了相應(yīng)的傳輸裝置，處于600-1000 W之間的電能，都能通過(guò)該裝置進(jìn)行傳輸，效率高達(dá)70%。該裝置最大的優(yōu)越之處是能同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供電，且穩(wěn)定性不受用電設(shè)備增減的影響。

2003年，重慶大學(xué)樊華、鄭小林、皮喜田、彭承琳等對(duì)用于體內(nèi)診療裝置的無(wú)線電能傳輸方案進(jìn)行了研究，這是比較早的一次對(duì)于無(wú)線電能傳輸技術(shù)子在醫(yī)療儀器上的應(yīng)用的探索。

隨著技術(shù)的成熟與進(jìn)步，越來(lái)越多的科研人員與科研機(jī)構(gòu)以及高校開(kāi)始了對(duì)無(wú)限電能傳輸技術(shù)的研究，上海交通大學(xué)，天津工業(yè)大學(xué)，華南理工大學(xué)等等高校都開(kāi)始了此項(xiàng)研究。最近的幾年，這項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，且應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，特別在醫(yī)療方面，有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，比如基于藥囊內(nèi)窺鏡的無(wú)線功能系統(tǒng)的研究以及基于無(wú)線功能技術(shù)的定點(diǎn)施藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等等研究。總而言之，國(guó)內(nèi)的關(guān)于無(wú)限能量傳輸技術(shù)的研究在進(jìn)一步的深入，在研究領(lǐng)域方面也在進(jìn)一步的擴(kuò)大。

2 無(wú)線電能傳輸技術(shù)的原理

2.1 磁耦合諧振式電能傳輸

磁耦合諧振式無(wú)限電能傳輸基本結(jié)構(gòu)原理（具體見(jiàn)圖2）。從裝置的組成來(lái)看，兩個(gè)線圈是主要組成部分，一個(gè)線圈就是一個(gè)獨(dú)立的自振系統(tǒng)。裝置中位于左側(cè)的是發(fā)射裝置，和能量源端相連接，發(fā)射裝置主要通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射電磁波，發(fā)射裝置本身并不具備向外發(fā)射電磁波的功能。裝置中位于右側(cè)的是接受裝置，該裝置的頻率是固定的，當(dāng)這個(gè)固定的頻率和接收到的電磁波頻率相一致時(shí)，接收電路就形成振蕩電流，并達(dá)到最強(qiáng)的狀態(tài)，這樣磁場(chǎng)和電能兩者之間的轉(zhuǎn)換就順利完成，對(duì)應(yīng)電能的高效傳輸成功實(shí)現(xiàn)[5]。

在磁耦合諧振式的無(wú)限電能傳輸體系中，線圈諧振器性能是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，其可以達(dá)到能量的高效傳輸。

能量傳輸中，存在一個(gè)穩(wěn)定性和可控性的提升問(wèn)題，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)，可以采用替代的方式，具體來(lái)講就是用較小的補(bǔ)償電容替代諧振線圈對(duì)應(yīng)等效電容，替代之后，雖然線圈自諧振頻率有所降低，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，卻得到了大幅提升。

2.2 電磁感應(yīng)式電能傳輸

作為一種新型電能傳輸模式，感應(yīng)耦合式無(wú)線輸電系統(tǒng)的構(gòu)建原理主要來(lái)源于三個(gè)方面：一是現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)，二是電磁感應(yīng)耦合理論，三是控制理論。該傳輸模式可以在沒(méi)有物理連接的情況之下，實(shí)現(xiàn)供電線路和用電設(shè)備之間的能量傳輸。感應(yīng)耦合式無(wú)線輸電系統(tǒng)有三個(gè)組成部分，分別是能量發(fā)送端、接收端以及無(wú)接觸變壓器（具體見(jiàn)圖3）。該系統(tǒng)和其他電能傳輸系統(tǒng)相比，多了初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)變換器。

能量發(fā)送端由高頻逆變裝置、整流濾波電路和控制電路組成，發(fā)送端產(chǎn)生交流能量通過(guò)無(wú)接觸變壓器傳輸?shù)侥芰拷邮掌鳌Ｄ芰拷邮斩撕痛渭?jí)變壓器連接相連，由控制電路構(gòu)成和輸出整流濾波環(huán)節(jié)，提供負(fù)載所需能量，還可以根據(jù)需求靈活的移動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)正常開(kāi)展工作，在經(jīng)過(guò)整流和濾波之后，輸出端將交流電傳給逆變裝置，交流電經(jīng)過(guò)逆變裝置轉(zhuǎn)換后變成高頻交流電，然后供給無(wú)接觸變壓器初級(jí)繞組，通過(guò)變壓器的感應(yīng)耦合，形成高頻電流從次級(jí)端口輸出，裝置接收到的能量能夠按照負(fù)載實(shí)際需求，進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，直到滿(mǎn)足負(fù)載的需求為止。系統(tǒng)能量傳遞借助的方式，主要是電磁感應(yīng)耦合。

無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)在傳輸電能方面，有效性比較低，從歸屬來(lái)看，屬于疏松耦合系統(tǒng)。所以在該系統(tǒng)的運(yùn)用中，提升傳輸效率就是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題，在具體的應(yīng)用中，通常采用高頻變換器來(lái)作為初級(jí)變換器。整個(gè)系統(tǒng)中，可分離變壓器作為一個(gè)組成部分，發(fā)揮的作用最為重要，系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性都取決于其性能。無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是技術(shù)可靠，而且制作成本不高等特點(diǎn)，不足之處在于其傳輸?shù)木嚯x短、效率低，所以應(yīng)用對(duì)象一般為小型的、便攜的電子設(shè)備。

2.3 電磁輻射式無(wú)線電能傳輸

能量傳遞效率在無(wú)線電能傳輸中，占據(jù)了最為重要的位置。方向性強(qiáng)、能量集中是激光、微波束的共同特點(diǎn)。在空間傳輸時(shí)，激光光束通常會(huì)受到塵埃以及空氣的散射，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的非線性效應(yīng)，輸出的功率也較小。而微波輸送能量，主要是在把微波聚焦后，通過(guò)定向發(fā)射的方式向外發(fā)射，整流天線將這些高能微波接收后，經(jīng)過(guò)整流，將之轉(zhuǎn)化為直流電能。

只要合理設(shè)計(jì)接收器結(jié)構(gòu)，電能的遠(yuǎn)距離傳輸可以利用高精度的定向天線或高質(zhì)量的平行激光束來(lái)完成。所謂的遠(yuǎn)距離是指大于裝置尺寸幾千米以上的傳輸距離?？梢越柚鸁o(wú)線電波，在微波范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量的定向傳輸，在接收端，微波能量經(jīng)過(guò)硅整流二極管天線，可以轉(zhuǎn)化為電能。一般來(lái)講，1mW/cm2是人體允許的能量密度，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以10KM為直徑的空間范圍內(nèi)，能量傳遞最高可以實(shí)現(xiàn)750MW。對(duì)于無(wú)線電波而言，波長(zhǎng)越短，定向性能就越好。所以在實(shí)現(xiàn)電能遠(yuǎn)程傳輸?shù)倪^(guò)程中，借助微波或者激光，不僅有利于新能源的開(kāi)發(fā)及利用，而且對(duì)于未來(lái)能源短缺的問(wèn)題，也能實(shí)現(xiàn)有效解決。當(dāng)前，人們對(duì)可再生資源的開(kāi)放利用十分重視，而太陽(yáng)能就是最佳的能量來(lái)源。

3無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景展望

近年來(lái)無(wú)線電能傳輸技術(shù)在便攜家用電器、人體內(nèi)植入器件和電動(dòng)汽車(chē)等的無(wú)線供電領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。隨著研究的不斷深入以及人們對(duì)于點(diǎn)能使用的便攜性、多樣性要求的不斷提高，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出許多新特點(diǎn)，又將開(kāi)拓出更多新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如照明、太陽(yáng)能電站以及航空航天系統(tǒng)。

4結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線輸電技術(shù)的不斷地發(fā)展與成熟，以后人們?nèi)粘Ｉ钪杏型麛[脫手機(jī)、電腦、照相機(jī)等多種移動(dòng)設(shè)備電源線的束縛，雜亂如麻的電線和插板將會(huì)消失。各種大型公共場(chǎng)所會(huì)提供無(wú)線充電設(shè)備，再也不用為沒(méi)帶充電器而煩惱。不僅如此，無(wú)線電能傳輸還適用于一些特定的環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是在無(wú)線傳播中，無(wú)論哪一種方式都有關(guān)鍵性的問(wèn)題需要加以破解，比方說(shuō)于人體而言電磁波是否有害的問(wèn)題，日常通信是否會(huì)受到電磁波影響的問(wèn)題。從目前該項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，還處于探索階段，需要進(jìn)一步深化。

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