無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究綜述

鐘睿哲，李雷遠(yuǎn)，劉 剛，任國(guó)芳，張長(zhǎng)江，張 震，吳 娛

（北京郵電大學(xué) 世紀(jì)學(xué)院，北京 102101）

1 引言

無(wú)線電能傳輸（wireless pοwer transfer，WPT）技術(shù)具有方便、安全、靈活性高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。WPT技術(shù)近幾年來(lái)受到了國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，未來(lái)具有明確的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟。

對(duì)WPT技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。如今國(guó)內(nèi)研究基本上應(yīng)用于大方向，對(duì)于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)（MCR-WPT）和無(wú)線電能傳輸技術(shù)如何提高傳輸效率和高電壓傳輸領(lǐng)域進(jìn)行了研究。國(guó)外的研究涉及各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用也十分廣泛，如機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、磁懸浮列車(chē)、無(wú)人機(jī)等等。論述了WPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步研究提供了有益的理論參考。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

MCR-WPT是WPT系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，由于MCR-WPT具有適用于中距離傳輸、傳輸效率高、供電相對(duì)安全、傳輸功率大等特點(diǎn)，很快成為了WPT系統(tǒng)中的研究熱門(mén)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)分析耦合系數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響后，提出了一種雙向螺旋線圈（DTSC）的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)縮小系統(tǒng)的頻率分裂區(qū)域，達(dá)到了提高系統(tǒng)的短距離傳輸效率的目的。同時(shí)分析了雙向螺旋線圈的內(nèi)外半徑、匝數(shù)和節(jié)距對(duì)無(wú)線電能系統(tǒng)效率的影響。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了在不同角偏轉(zhuǎn)和橫向偏轉(zhuǎn)時(shí)有關(guān)于傳輸效率變化的數(shù)學(xué)公式，研究角偏轉(zhuǎn)和橫向偏轉(zhuǎn)對(duì)傳輸效率的影響，從而得到了傳輸效率隨角度失調(diào)和側(cè)向失調(diào)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]通過(guò)綜合分析徑向間隙和線圈半徑，推導(dǎo)了徑向間隙與線圈半徑之間比例的關(guān)系式，找出其對(duì)WPT效率影響的規(guī)律，并驗(yàn)證了軸向距離對(duì)該比例的影響最大比值。文獻(xiàn)[4]提出具有負(fù)磁導(dǎo)率的螺旋超導(dǎo)超材料，用于利用磁耦合諧振實(shí)現(xiàn)高效的WPT。通過(guò)分析超導(dǎo)超材料對(duì)效率提高的影響，確定了超導(dǎo)超材料的最佳位置，并且驗(yàn)證了超導(dǎo)超材料通過(guò)增強(qiáng)倏逝波耦合，可以顯著提高系統(tǒng)的傳輸效率，且具有較低的損耗性能。文獻(xiàn)[5]提出了一種結(jié)合超表面的可植入式MCR-WPT的設(shè)備，可以用于生物領(lǐng)域，分析了負(fù)磁導(dǎo)率超表面的性能及其對(duì)WPT效率的影響。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了與負(fù)磁導(dǎo)率超表面的MCR-WPT系統(tǒng)的高效性。

而目前有很大一部分是基于WPT傳輸效率和安全性能所做的研究。文獻(xiàn)[6]由于無(wú)線電能存在停電的問(wèn)題，所以采用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化（SA-PSO）的資源分配算法，WPT的功率和傳輸時(shí)間的聯(lián)合優(yōu)化應(yīng)對(duì)電能中斷的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]針對(duì)WPT經(jīng)常受到基站與WPT終端天線輻射方向和天線極化失準(zhǔn)的問(wèn)題，提出了一種解決方法對(duì)天線進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)有效非對(duì)稱(chēng)電感環(huán)（IL）的初級(jí)線圈具有高品質(zhì)因數(shù)，它的工作范圍在自激振蕩頻率（SRF）以?xún)?nèi)的特性。由此推出適用于自激振蕩頻率中的高品質(zhì)因數(shù)（high-Q）的方法。文獻(xiàn)[9]就輻射WPT使用相同的頻譜或硬件所導(dǎo)致接收能量和傳輸數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題進(jìn)行了研究，并研究了無(wú)線設(shè)備何時(shí)采集能量、何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)以及使用何種傳輸速率的問(wèn)題。使在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道上傳輸數(shù)據(jù)包序列時(shí)的延遲最小化，以獲得最優(yōu)傳輸功率。文獻(xiàn)[10]在雙源無(wú)線供電系統(tǒng)為移動(dòng)電子設(shè)備充電時(shí)，為了獲得接收線圈與發(fā)射線圈之間的實(shí)時(shí)互感，提出了一種主要參數(shù)（電流和電壓）的檢測(cè)方法，替代接收端與發(fā)射端之間的無(wú)線通信。文獻(xiàn)[11]介紹了一種均衡電池電壓方法，由于多接收機(jī)WPT系統(tǒng)具有節(jié)省空間、易于實(shí)現(xiàn)、提高安全性等優(yōu)勢(shì)，將其替換現(xiàn)有的多繞組變壓器，并進(jìn)行了性能分析。文獻(xiàn)[12]中針對(duì)串聯(lián)式補(bǔ)償WPT系統(tǒng)，提出了一種離散滑?？刂疲―SMC）的方案，以便快速地實(shí)現(xiàn)最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)成本較低，而且不存在通信延遲，從而增強(qiáng)了控制性能。文獻(xiàn)[13]中提出了一種新方法，基于可重構(gòu)的磁諧振結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高能量效率。此方法的基本原則是創(chuàng)建一個(gè)以上的有效負(fù)荷曲線。WPT系統(tǒng)被控制在可重構(gòu)電路的能效曲線的頂部區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，這樣就可以在非常廣泛的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸。文獻(xiàn)[14]將印刷電路板（PCB）型混合超材料板（HMS）相結(jié)合，可以在提高功率傳輸效率同時(shí)減少高感應(yīng)電磁場(chǎng)的泄漏。文獻(xiàn)[15]提出開(kāi)關(guān)鍵控的新方法，在不使用dc-dc功率轉(zhuǎn)換器的情況下實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行，降低了平均開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗。文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)使用高增益天線可以提供更高的功率，在低功率密度環(huán)境下射頻功率采集。提出一種行波陣天線（GAA），其在廣角范圍內(nèi)具有良好的靈敏度和有效性。文獻(xiàn)[17]提出了可以進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍RF-dc轉(zhuǎn)換的新型整流陣列，并且研究了該整流陣列電路的三種不同應(yīng)用，包括同類(lèi)型二極管設(shè)計(jì)的雙二極管整流陣列、不同類(lèi)型二極管設(shè)計(jì)的雙二極管整流陣列和不同類(lèi)型二極管設(shè)計(jì)的三個(gè)二極管的整流陣列。文獻(xiàn)[18]針對(duì)WPT中存在對(duì)人體有傷害的電磁危害（EMH），提出一種劃分有害無(wú)害區(qū)域的方法。文獻(xiàn)[19]中闡述了電能通過(guò)多個(gè)電源多次傳輸電能，導(dǎo)致該系統(tǒng)效率的低下和成本高昂的問(wèn)題，由此提出、分析和控制一種新的基于電流直接饋電于ac-ac變換器的方法去控制感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由于目前WPT技術(shù)相對(duì)成熟，所以在具體的應(yīng)用中被廣泛使用。文獻(xiàn)[20]在磁懸浮列車(chē)的應(yīng)用中使用共振強(qiáng)耦合方法，彌補(bǔ)導(dǎo)線和連接節(jié)點(diǎn)不可避免地會(huì)造成較大的熱損失，并且研究了在不同尺寸的Rx線圈陣列下，多Tx和多尺寸的單Tx線圈的傳輸效率和冷卻成本，最后采用氮?dú)庹舭l(fā)法對(duì)長(zhǎng)單天線陣和多天線陣下不同尺寸高溫超導(dǎo)接收機(jī)的冷卻成本進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[21]在插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）充電應(yīng)用中，對(duì)不同類(lèi)型無(wú)線充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[22]提出了一種用于無(wú)線電動(dòng)汽車(chē)充電的多用途隧道磁阻（TMR）傳感器組成的矩陣，該傳感器不僅可以監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)，還可以檢測(cè)線圈未校準(zhǔn)的問(wèn)題和金屬物體。文獻(xiàn)[23]提出了一種新的拓?fù)淇芍貥?gòu)電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，旨在實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的能量加密，即可以在減少電容數(shù)量的同時(shí)顯著擴(kuò)大電容的補(bǔ)償范圍，從而有效提高多目標(biāo)無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性能。文獻(xiàn)[24]主要針對(duì)動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)兩種類(lèi)型的無(wú)線充電電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行研究，分別是在行駛中充電和在臨時(shí)停車(chē)時(shí)充電，并且對(duì)充電設(shè)施如何配置等問(wèn)題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，其中包括對(duì)成本效益的分析、計(jì)費(fèi)和定價(jià)，以及其他相關(guān)配套的業(yè)務(wù)和設(shè)備。文獻(xiàn)[25]針對(duì)于動(dòng)態(tài)充電在低速中的應(yīng)用場(chǎng)景提出了一種優(yōu)化效率的方法，在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)還可以提高系統(tǒng)效率，還提出一種電流控制的優(yōu)化方法，在接收機(jī)沿軌道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，同時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射電流的方向和比例。文獻(xiàn)[26]綜述和比較了可提高車(chē)輛到電網(wǎng)（V2G）和電網(wǎng)到車(chē)輛（G2V）功率的各種雙向ac-dc和dc-dc變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還討論了V2G應(yīng)用中包含的各種類(lèi)型的充電器/充電器系統(tǒng)，如集成/非集成和導(dǎo)電/感應(yīng)等，并根據(jù)提出的一些進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[27]針對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行時(shí)間短的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種最佳的耦合結(jié)構(gòu)和參數(shù)構(gòu)成的非對(duì)稱(chēng)耦合WPT系統(tǒng)，有效地提高了無(wú)人機(jī)的充電性能。文獻(xiàn)[28]提出了一種對(duì)于工業(yè)機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)可以多方面全狀態(tài)跟蹤控制的實(shí)用方法。采用奇異攝動(dòng)法進(jìn)行推導(dǎo)，通過(guò)兩個(gè)解耦控制回路，一個(gè)控制偏轉(zhuǎn)誤差的快回路和一個(gè)在鏈路層上跟蹤控制的慢回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)多方面全狀態(tài)跟蹤控制。文獻(xiàn)[29]針對(duì)海水中的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)不可避免地會(huì)由于渦流損耗而造成能量損失的問(wèn)題，提出將兩個(gè)發(fā)射線圈對(duì)稱(chēng)地放置在接收線圈的兩邊一個(gè)線圈結(jié)構(gòu)，從而提高電能傳輸效率。文獻(xiàn)[30]利用麥克斯韋方程組建立了在海水中無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)失調(diào)時(shí)渦流損耗的解析模型，并推導(dǎo)了電場(chǎng)強(qiáng)度和渦流損耗的理論表達(dá)式，最后分析了在不同程度失調(diào)時(shí)的渦流損耗。

3 中國(guó)研究現(xiàn)狀

中國(guó)對(duì)于MCR-WPT目前的研究大多都是基于硬件的研究，以提高傳輸效率。文獻(xiàn)[31]通過(guò)對(duì)ZVS型E類(lèi)逆變器建模分析，得出其額定最佳工作狀態(tài)下的輸出功率與設(shè)計(jì)參數(shù)、負(fù)載間的關(guān)系，從而給出電源適應(yīng)于負(fù)載的高效率MCR-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[32-33]根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射線圈上的電流隨負(fù)載變化會(huì)引起傳輸功率和效率變化的問(wèn)題，采用集成式LCC補(bǔ)償拓?fù)?，并且通過(guò)分析負(fù)載和耦合系數(shù)對(duì)諧振元件的電壓電流應(yīng)力的影響，提出了諧振元件參數(shù)優(yōu)化的方法。文獻(xiàn)[34]結(jié)合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出了高頻逆變器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用于MCR-WPT系統(tǒng)的高頻逆變器類(lèi)型進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和歸納，并且提出了高頻逆變器參數(shù)設(shè)計(jì)和元件選型方法，為諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)。文獻(xiàn)[35]針對(duì)MCR-WPT的4線圈模型中線圈匝數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸功率的影響，通過(guò)建立系統(tǒng)模型，利用電路理論計(jì)算得出系統(tǒng)的輸出功率公式，并使用MATLAB軟件仿真分析了系統(tǒng)的輸出功率曲線，最后得出了結(jié)論。

中國(guó)利用WPT技術(shù)，通過(guò)嘗試各種可行的方式提高傳輸效率。文獻(xiàn)[36]研究了基于距離檢測(cè)的自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)。采用耦合模理論、E類(lèi)功率放大器、高品質(zhì)因數(shù)、高集成度諧振體、超聲波傳感器、FPGA處理器和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，基于專(zhuān)家控制算法提出頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案以提高傳輸效率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在頻率分裂距離內(nèi)，相對(duì)于固定頻率，提出的方案明顯提高了傳輸效率。文獻(xiàn)[37]為降低WPT系統(tǒng)工作過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提出了一種采用三相單開(kāi)關(guān)Bοοst電路的有源功率因數(shù)校正控制方法，利用三相單開(kāi)關(guān)Bοοst電路的輸出特性和串聯(lián)諧振電路的阻抗特性規(guī)律，對(duì)系統(tǒng)在變耦合系數(shù)情況下的工作點(diǎn)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)了較高功率因數(shù)輸入和相對(duì)高效率的輸出。

中國(guó)在一些應(yīng)用領(lǐng)域也有所建樹(shù)。文獻(xiàn)[38]針對(duì)WPT技術(shù)在高電壓領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了磁共振式WPT技術(shù)的特點(diǎn)，建立了帶有中繼線圈的共振無(wú)線傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)分析復(fù)合絕緣子的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了一種基于復(fù)合絕緣子的WPT裝置，提供了一種絕緣子內(nèi)嵌線圈的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[39]對(duì)雙LCL型WPT系統(tǒng)逆變器輸出電流存在畸變提出改進(jìn)方法進(jìn)行運(yùn)用，并從理論上分析了改進(jìn)方法的工作原理以及可取得的良好效果。

4 國(guó)內(nèi)外研究差距

由于中國(guó)在WPT領(lǐng)域的研究起步相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)比較晚，所以目前國(guó)內(nèi)的研究基本上應(yīng)用于大方向并沒(méi)有完全進(jìn)入一些子領(lǐng)域，而國(guó)外正在快速地向全領(lǐng)域邁進(jìn)。在本文中寫(xiě)出了部分國(guó)內(nèi)研究的方向，可以明顯地看出，國(guó)內(nèi)的研究目前還只限于理論階段與實(shí)驗(yàn)室階段，在國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源等子領(lǐng)域并沒(méi)有涉及到，暫時(shí)還沒(méi)有十分成熟的產(chǎn)品。相比而言國(guó)外的研究較為廣泛，由于國(guó)外對(duì)于WPT起步較早，并且早在1980年前后就出現(xiàn)了一些基本的使用WPT的應(yīng)用產(chǎn)品。目前，國(guó)外的WPT技術(shù)已經(jīng)展開(kāi)手腳，面向于各個(gè)領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等等，并且致力于可再生的新能源，在當(dāng)代的各類(lèi)新生產(chǎn)品進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，并且目前國(guó)外的研究已經(jīng)涉及到了安全性和在各個(gè)復(fù)雜環(huán)境之中如何進(jìn)行電能傳輸?shù)膯?wèn)題。國(guó)外在節(jié)約能源、安全性、傳輸效率、在各種環(huán)境中的應(yīng)用和針對(duì)于目前環(huán)保問(wèn)題高速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域有所建樹(shù)。

5 總結(jié)及其今后研究趨勢(shì)

目前國(guó)外的研究涉及各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用也十分廣泛，如機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、磁懸浮列車(chē)、無(wú)人機(jī)等等。并且對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了大量的研究，涉及電網(wǎng)（V2G）系統(tǒng)、可再生能源（太陽(yáng)能和燃料電池）。國(guó)外的研究普遍對(duì)超材料進(jìn)行了運(yùn)用，在有效地提高傳輸效率的同時(shí)還可以降低電磁場(chǎng)的泄露。如今國(guó)外有很大一部分都是在對(duì)電能傳輸中的一些子領(lǐng)域進(jìn)行研究，如天線對(duì)準(zhǔn)、應(yīng)對(duì)電能中斷、安全性、最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調(diào)節(jié)等問(wèn)題。在水下WPT領(lǐng)域也開(kāi)始進(jìn)行理論方面的研究，為復(fù)雜環(huán)境下WPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供了有益的理論參考。而中國(guó)研究基本上應(yīng)用于大方向，對(duì)于MCR-WPT和WPT技術(shù)如何提高傳輸效率和高電壓傳輸?shù)阮I(lǐng)域進(jìn)行了研究。其中對(duì)于MCR-WPT技術(shù)有廣泛的研究與應(yīng)用。目前，中國(guó)研究著重于提高傳輸效率，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行研究。

今后的研究方向趨勢(shì)還要以提高傳輸效率、節(jié)約成本、以人為本為前提。現(xiàn)在每個(gè)新技術(shù)的共同研究方向，都是圍繞節(jié)約能源和開(kāi)發(fā)可再生能源兩個(gè)方面進(jìn)行的，今后的研究方向趨勢(shì)可能會(huì)圍繞太陽(yáng)能和燃料電池兩方面?？稍偕茉醇傻诫妱?dòng)汽車(chē)充電/放電基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用?；诟黝?lèi)新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。以及對(duì)電磁傷害的安全性進(jìn)行研究，達(dá)到無(wú)傷害或者少傷害，在水下的環(huán)境中如何高功率地進(jìn)行WPT的研究，如水下運(yùn)載工具的應(yīng)用。并且可以推測(cè)，隨著研究的不斷深入，人們對(duì)于無(wú)線充電的便攜性和多樣性的需求也會(huì)不斷提高，以及一些高精尖領(lǐng)域也會(huì)被開(kāi)發(fā)，例如航空航天領(lǐng)域。