無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問(wèn)題

李翔

【摘 要】現(xiàn)當(dāng)今，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，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)線電能量的傳輸方式有三種：一種是電磁感應(yīng)，常用于低功率、短距離的電能傳輸。二是電磁共振，常用于中功率、中距離輸電。三是電磁輻射型，常用于大功率、遠(yuǎn)距離輸電。近年來(lái)，電力電子器件、電力轉(zhuǎn)換、材料科學(xué)和控制技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在這種情況下，無(wú)線電能量傳輸逐漸成為現(xiàn)實(shí)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)電力傳輸中使用的傳輸載體主要是電纜。以這種方式傳遞動(dòng)力，摩擦和傳遞損耗是難以避免的。此外，如果線路老化，有針尖放電等因素的影響，容易接觸火花，這無(wú)疑是供電安全的致命缺陷，根本沒(méi)有可靠性。另外，采用傳統(tǒng)的輸電方式，大大縮短了電氣設(shè)備的使用壽命，而且不良的電氣設(shè)備相互接觸，會(huì)增加接觸電阻，造成高溫，使火災(zāi)的形成進(jìn)一步增加。在礦山、石油開(kāi)采這些特殊場(chǎng)合，傳統(tǒng)電纜上面的缺陷是非常致命的，很可能引起爆炸、火災(zāi)，這將帶來(lái)巨大的安全隱患和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在水下，傳統(tǒng)的電纜電源也能使人在水中受到電擊。而WPT沒(méi)有電線連接，主要采用電磁感應(yīng)、微波、電磁磁共振等形式傳輸功率，完全避免了傳統(tǒng)電纜傳輸帶來(lái)的各種危害。因此，無(wú)線傳輸是一種安全可靠的新型電力傳輸方式。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線電能;傳輸技術(shù);應(yīng)用;研究現(xiàn)狀;關(guān)鍵問(wèn)題

引言

自從人類學(xué)會(huì)用電，便與電密不可分。如今，人們生活中電氣化程度越來(lái)越高，電能的應(yīng)用越來(lái)越多。傳統(tǒng)電能傳輸普遍采用金屬導(dǎo)線和電纜線等傳輸介質(zhì)，其在電力傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生傳輸損耗、線路老化、尖端放電等問(wèn)題，從而為一些易燃、易爆場(chǎng)景的供電設(shè)計(jì)帶來(lái)困擾。無(wú)線電能傳輸作為一種新型的電能傳輸方式有效地避免了“不宜、不易”使用導(dǎo)線供電場(chǎng)景中的諸多弊端，提高了供電方法的自由度，拓展了人們對(duì)電能傳輸方法的想象。

1簡(jiǎn)述無(wú)線電能傳輸技術(shù)

無(wú)線電能傳輸（WirelessPowerTransmission，WPT）作為新型電能傳輸技術(shù)，主要依靠電磁場(chǎng)或電磁波傳輸能量?，F(xiàn)在的無(wú)線電能傳輸方式主要有三種：（1）電磁感應(yīng)式，其特點(diǎn)是傳輸距離短，傳輸效率高;（2）磁耦合諧振式，傳輸距離適中，傳輸效率高;（3）電磁輻射型，傳輸距離長(zhǎng)，傳輸效率低。這三種主流的無(wú)線電傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于電磁感應(yīng)式，它具有較高的傳輸效率，降低了對(duì)使用材料的環(huán)保效果，但傳輸距離太小，實(shí)際方面局限于厘米級(jí)，傳輸效率易受位置的影響，也可能是由于異物進(jìn)入發(fā)熱的問(wèn)題。磁耦合共振具有傳輸效率高的優(yōu)點(diǎn)。傳輸過(guò)程不受空間障礙的影響;輻射小，對(duì)人體幾乎沒(méi)有危害，其缺點(diǎn)是成本高，對(duì)硬件要求高，受到外部干擾會(huì)發(fā)生失諧，不利于調(diào)試。電磁輻射具有傳輸距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但電流傳輸效率過(guò)低，在遇到障礙物時(shí)會(huì)中斷傳輸過(guò)程。在目前的無(wú)線電傳輸技術(shù)中，磁耦合諧振無(wú)線電傳輸是應(yīng)用最廣泛的?；陔姶鸥袘?yīng)的磁耦合諧振無(wú)線電能量傳輸系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代電子功率能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和控制理論，提出了一種新的功率傳輸方式，由于其功率大，傳輸效率高，潛在實(shí)用價(jià)值高，引起了專家學(xué)者的注意。工作原理的磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)是使用兩個(gè)諧振對(duì)象相同的頻率，并生成一個(gè)強(qiáng)耦合效應(yīng)通過(guò)能源兩個(gè)對(duì)象之間的交互，并使用線圈的兩端板電容器形成諧振電路的能量傳輸。

2無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究歷史尚短，不過(guò)也取得了較大的研究成果，我國(guó)對(duì)于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究起步于2001年，當(dāng)時(shí)西安石學(xué)院的李宏教授，將礦井用感應(yīng)電力機(jī)車與感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性的研究，并在重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究文章。與此同時(shí)，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院也對(duì)電磁感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸進(jìn)行了專項(xiàng)研究，而且及奧克蘭大學(xué)課題組與海爾集團(tuán)組成研究小組，通過(guò)與PatrickAiguoHu博士進(jìn)行學(xué)術(shù)研究，將無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究推向新臺(tái)階，研究小組在理論技術(shù)研究方面獲得了較大的學(xué)術(shù)成果。2002年，該研究小組就感應(yīng)式電能傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用進(jìn)了試驗(yàn)，將該技術(shù)應(yīng)用于日常電器和充電汽車等應(yīng)用場(chǎng)景中。

3無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用水平與重點(diǎn)問(wèn)題

3.1醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備。由于植入設(shè)備的特殊性，大尺寸植入設(shè)備可能導(dǎo)致組織炎癥甚至細(xì)胞死亡，因此植入設(shè)備無(wú)線電源的研究重點(diǎn)主要集中在接收器的小型化上。圖1為NUS無(wú)線電源線圈。Thakor對(duì)電磁感應(yīng)無(wú)線電源在神經(jīng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。植入線圈采用銅線設(shè)計(jì)，在5mm傳輸距離下，最大傳輸效率為65.8%。然而，由于電磁感應(yīng)的特性，當(dāng)傳輸距離增大時(shí)，能量會(huì)大大衰減，導(dǎo)致長(zhǎng)距離傳輸效率較低。

為了解決電磁感應(yīng)式無(wú)線供電遠(yuǎn)距離傳輸效率低的問(wèn)題，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）與英屬哥倫比亞大學(xué)（UBC）共同提出一種小型化的磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)，如圖2所示為KAUST與UBC用于醫(yī)療的線圈，其發(fā)射線圈直徑為37mm，接收線圈直徑為30mm，在20mm處傳輸效率可達(dá)82.4%，對(duì)比電磁感應(yīng)式，采用磁耦合諧振可以克服電磁感應(yīng)式在人體組織中的衰減。

斯坦福大學(xué)AndrewMa對(duì)無(wú)線供電在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用做了系統(tǒng)的評(píng)估和實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了更小尺寸的植入設(shè)備，如圖3所示為斯坦福用于醫(yī)療的線圈。其接收線圈直徑為2mm，發(fā)射器尺寸為60mm×60mm，同時(shí)論文對(duì)無(wú)線供電的安全性做了研究，在500W輸入的條件下，比吸收率（SpecificAbsorptionRatio，SAR）值低于規(guī)定的2W/kg。

由上述可以發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)療植入設(shè)備領(lǐng)域中，無(wú)論是電磁感應(yīng)式還是磁耦合諧振式，都是采用大線圈對(duì)小線圈供電的方式，但是由于電磁感應(yīng)式能量隨距離的衰減，磁耦合諧振式在傳輸距離上有更多的優(yōu)勢(shì)。此外，由于接收線圈尺寸太小以及人體不能夠接受太高的比吸收率，現(xiàn)有的體內(nèi)植入式的無(wú)線供電裝置都存在輸出功率小的缺點(diǎn)。

3.2航空領(lǐng)域

無(wú)線電能輸送技術(shù)已開(kāi)始在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。MPT技術(shù)的發(fā)展改良了現(xiàn)有的空間太陽(yáng)能發(fā)電，空間太陽(yáng)能發(fā)電已開(kāi)始利用微波向地面和衛(wèi)星傳輸電能?？臻g太陽(yáng)能發(fā)電中的WPT技術(shù)在經(jīng)歷多階段發(fā)展后，發(fā)射、反射和接收技術(shù)也都取得了進(jìn)步。

3.3交通運(yùn)輸領(lǐng)域

目前，ICPT技術(shù)在運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在電動(dòng)汽車和軌道機(jī)車的充電裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。新西蘭奧克蘭大學(xué)（UniversityofAuckland）旗下的Kris公司已經(jīng)在羅托魯瓦國(guó)家地?zé)峁珗@（RotoruaNational地?zé)峁珗@）的電動(dòng)客運(yùn)車輛中使用了這項(xiàng)技術(shù)。目前，無(wú)線能量充電裝置已成為無(wú)線功率傳輸領(lǐng)域非常熱門(mén)的研究方向，并逐漸向?qū)嵱没较虬l(fā)展。具體分為移動(dòng)方向和固定方向：移動(dòng)電動(dòng)汽車充電裝置可以隨時(shí)為行駛中的車輛補(bǔ)充能量，在相同行駛里程的情況下，大大降低了車輛所需的電池容量;在靜止充電過(guò)程中，車輛保持靜止?fàn)顟B(tài)，傳輸功率和傳輸距離能夠滿足電動(dòng)汽車底盤(pán)高度和充電功率的需求。

結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的不斷成熟完善，在以后的生產(chǎn)、生活中，人們?nèi)粘Ｊ褂玫恼障鄼C(jī)、電腦、手機(jī)、照明等日常移動(dòng)設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線使用，從而提高生產(chǎn)、生活用品的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

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