發布時間：2022-02-24所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 隨著科技的不斷發展和進步，無線電能傳輸技術已成為國內外最受關注的研究課題，是未來電力發展的必然趨勢。首先介紹無線電能傳輸技術的起源，追溯到電磁波的發現;接著分析無線電能傳輸技術的三種主要形式，包括感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術和微波
摘要 隨著科技的不斷發展和進步，無線電能傳輸技術已成為國內外最受關注的研究課題，是未來電力發展的必然趨勢。首先介紹無線電能傳輸技術的起源，追溯到電磁波的發現;接著分析無線電能傳輸技術的三種主要形式，包括感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術和微波無線電能傳輸技術。在此基礎上，對三種形式的無線電能傳輸技術的發展現狀進行論述，詳細闡述目前國內外無線電能傳輸技術的研究成果，并對比分析目前研究最廣泛的感應和諧振無線電能傳輸技術在原理、系統構成、分析方法以及運行條件上的異同，最后對無線電能傳輸技術在各個領域的應用進行了展望。
關鍵詞：感應 諧振 微波 無線電能傳輸
0 引言
無線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術是指無需導線或其他物理接觸，直接將電能轉換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間將能量從電源傳遞到負載的電能傳輸技術，因此又被稱為非接觸電能傳輸(Contactless Energy Transfer, CET)技術。該技術實現了電源與負載之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活等傳統電能傳輸方式無可比擬的優點，因此得到了國內外學者的廣泛關注[1,2]。
無線電能傳輸是人類一百多年來孜孜不倦追求的目標，該技術是一個多學科交叉的前沿技術，涉及電學、物理學、材料學、生物學、控制科學等多個學科和領域。無線電能傳輸可以有效地克服裸露導體造成的用電安全、接觸式供電的火花、接觸機構的磨損等問題，并避免在潮濕、水下、含易燃易爆氣體的工作環境下，因導線式或接觸式供電引起的觸電、爆炸、火災等事故。無線電能傳輸技術的出現還促進了大量新型應用技術的產生，如植入式醫療設備的非接觸式供電、超高壓/特高壓桿塔上監測設備的非接觸式供電、家用電器的非接觸式供電、移動設備的非接觸式供電及電動汽車的無線充電等。伴隨著智能電網和能源互聯網的發展，電動汽車的無線充電技術將極大地促進新能源汽車產業的發展。此外，在太空領域，還可以通過無線電能傳輸方式把外太空的太陽能傳輸到地面、在航天器之間實現無線電能傳輸;在軍事領域，無線供電可以有效地提高軍事裝備和器械的靈活性和戰斗力。因此，世界主要發達國家都十分重視無線電能傳輸技術的研究，美國麻省理工學院主辦的《麻省理工技術評論》雜志已將無線電能傳輸技術列為引領世界未來的十大科學技術之一[3]。
1 無線電能傳輸技術的起源
無線電能傳輸技術的起源可以追溯到電磁波的發現。1865 年，麥克斯韋在前人實驗的基礎上，歸納出著名的麥克斯韋方程組，理論上預見了電磁波的存在。1888 年，赫茲通過實驗成功地“捕獲”了電磁波，從而為電信號的無線傳輸奠定了堅實的基礎，也為電能的無線傳輸提供了發展的可能。
繼電磁波發現不久，偉大的發明家特斯拉就開始了無線電能傳輸技術的探索[4]，在其專利“電氣照明系統”中通過改進赫茲波發射器的射頻電源[5]，提出了無線電能傳輸的偉大設想;1893 年，特斯拉在哥倫比亞世界博覽會上，在沒有任何導線及其他物理連接的情況下，隔空點亮了一盞磷光照明燈[6]。特斯拉展示的照明燈無線電能傳輸實驗裝置如圖 1 所示[7]，發射端由高頻交流電源、變壓器、發射線圈 P、電火花間隙開關 S. G 和電容器 C 組成;接收端由接收線圈 S 和一個 40W 的燈泡組成;發射線圈與接收線圈直徑均為 24in(1in=0.025 4m，24in 大約 60cm)，匝數見圖 1 中標注。當發射線圈電感 L 與電容器 C 以高頻交流電源的頻率發生串聯諧振時，電容器 C 上產生的諧振電壓將擊穿電火花間隙開關 S. G，使發射線圈 P 與電容器 C 經 S. G 短路發生串聯諧振，發射線圈 P 上流過的諧振電流產生磁場，耦合到接收線圈 S，轉換成電能將燈泡點亮。該裝置可以在發射線圈和接收線圈相距 1ft (1ft=0.304 8m，大約 30cm)范圍內工作。
1898 年，特斯拉又把無線電能傳輸技術應用到人體電療中，成果在美國電療協會第 8 次年會上首次展示，并刊登在《電氣工程師》第 544 期和 550 期上，1999 年被《Proceedings of the IEEE》作為經典論文重印[8]。特斯拉提出無線電療裝置如圖 2 所示，發射線圈為一個直徑不小于 3ft(大約 90cm)的大鐵環 H，鐵環上繞有幾匝粗大的電纜線 P，兩端并聯一個由大面積極板形成的可變電容器，然后與電源相聯;接收線圈為一普通漆包線繞制的線圈S，用兩個木箍 h 和硬紙板固定，連接到人體。該裝置工作時，發射線圈與可變電容器在電源頻率下發生并聯諧振，流過發射線圈的諧振電流產生磁場，耦合到接收線圈，轉換為電能對人體進行電療。
1899 年，特斯拉在科羅拉多州開展了大規模無線電能傳輸的嘗試，發明了諧振頻率為 150kHz 的特斯拉線圈[9]，并在長島建造了著名的特斯拉塔如圖 3 所示。雖然最終由于資金匱乏，利用特斯拉塔進行大功率無線電能傳輸的實驗沒有實現，但留給人們無限的遐想。特斯拉甚至還設想將地球作為內導體、地球電離層作為外導體，在它們之間建立起 8Hz 的低頻電磁共振(舒曼共振)，實現全球無線電能傳輸。因此，特斯拉毫無疑問是無線電能傳輸的開拓者，是無線電能傳輸原理和技術的奠基者[10]。
2 無線電能傳輸技術的形式
無線電能傳輸技術主要分為三種基本形式：
(1)感應無線電能傳輸技術。該技術可通過兩種原理實現：①基于電磁感應原理，將發射線圈和接收線圈置于非常近的距離，當發射線圈通過電流時，所產生的磁通在接收線圈中感應電動勢，從而將電能傳輸到負載;②基于電場耦合原理，通過兩個可分離電容極板的電場變化，實現電能無線傳輸。
(2)諧振無線電能傳輸技術。該技術同樣可通過兩種原理實現：①基于磁諧振原理，在近場范圍內，使發射線圈與接收線圈均工作于自諧振或諧振狀態，實現電能的中距離無線電能傳輸;②電場諧振原理，通過使兩個帶有電感的可分離電容極板工作于諧振狀態，通過電場諧振實現電能的無線傳輸。
(3)微波無線電能傳輸技術。該技術的基本原理是將電能轉換成微波，然后通過天線向空間發射，接收天線接收后轉換為電能給負載供電，實現遠距離的無線電能傳輸。與該技術原理相同的無線電能傳輸方式，還有基于射頻技術的無線電能傳輸、基于激光的無線電能傳輸和基于超聲波的無線電能傳輸等。
以上三種形式的無線電能傳輸技術，按照工作于電磁場非輻射區或是輻射區來進行分類，可以將它們分為非輻射式無線電能傳輸技術和輻射式無線電能傳輸技術，其中感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術屬于非輻射式，而微波無線電能傳輸技術則屬于輻射式。
不同的無線電能傳輸技術性能各異，感應無線電能傳輸技術的傳輸功率大，最大功率可達幾百 kW 以上，且效率較高，最大效率在 90%以上，但傳輸的距離很短，一般在幾 cm 以下[11];諧振無線電能傳輸技術現階段電能傳輸距離從十幾 cm 到幾 m，傳輸功率從幾十 W 到幾 kW，效率從 40%到 90% 以上;微波無線電能傳輸技術傳輸的距離較遠，為 km 級，傳輸功率從 mW 級到 MW 級，但效率極低，一般低于 10%。目前最具有發展和應用前景的是感應無線電能傳輸技術和諧振無線電能傳輸技術。
3 無線電能傳輸技術的發展歷程
3.1 感應無線電能傳輸技術
1894 年，繼特斯拉之后，M. Hutin 和 M. Leblanc 申請了“電氣軌道的變壓器系統”專利，提出了牽引電車的 3kHz 交流電源感應供電技術[12]。間隔大約半個世紀，1960 年，B. K. Kusserow 提出植入式血泵感應供電方式[13]，開始了感應無線電能傳輸技術在植入式醫療設備供電中的應用研究。隨后不久， J. C. Schuder 等在哥倫比亞密蘇里大學進行一項被命名為“經皮層能量傳輸”的研究項目[14,15]，提出利用接收線圈串聯電容來實現諧振無功補償，從而達到高效電能傳輸[16,17]。1970 年，紐約大學的 A. I. Thumim 等發表了植入式醫療設備感應供電的論文，提出了在發射線圈、接收線圈同時進行串聯電容無功補償的技術，并研究了耦合系數對電能傳輸性能的影響[18]。1971 年，射頻技術的應用促進了感應無線電能傳輸技術在醫療設備上的發展[19]，旋轉變壓器在同期誕生[20]，用于取代電刷。1972 年，新西蘭奧克蘭大學的 Don Otto 申請了采用可控硅逆變器產生 10kHz 的交流電給小車感應供電的專利(NZ19720167422, JP49063111)，首次驗證了給移動物體感應供電的可能性。1974 年，出現了電動牙刷的感應無線充電技術[21]，裝在杯型底座的電源通過電磁感應給牙刷中的電池充電。1978 年，電動汽車的感應無線充/供電也引起了學術界極大的興趣[22]。進入 20 世紀 80 年代，對電動汽車感應無線電能傳輸理論的探索和應用實踐又有了進一步發展[23-25]。同時在植入式醫療器械非接觸供電技術方面也有了較大突破，1981 年，Ian C. Foster 進一步提出了在接收線圈進行并聯電容補償的方法，提高了傳輸效率和位移容差[26]。1983 年，英國醫學研究理事會的 N. N. Donaldson 和 T. A. Perkins 提出了發射線圈進行串聯電容補償、接收線圈進行并聯電容補償的技術，證明存在最優的耦合系數和最大接收功率，但效率較低只有 50%[27]。1989 年，A. Ghahary 發展了用串聯諧振變換器實現經皮能量傳輸和對副邊線圈進行串聯電容補償的技術[28,29]。1996 年，G. B. Joun 又提出了一次側和二次側同時進行串聯電容補償的技術[30,31]。
新西蘭奧克蘭大學的 J. T. Boys 教授，是 20 世紀 90 年代以來對感應無線電能傳輸技術的發展推動最大的學者之一，他系統地開展了對感應無線電能傳輸技術的研究[32-34]，他的研究團隊完善了感應無線電能傳輸的拓撲補償和穩定性理論[35-37]。J. T. Boys 教授于 1991 年申請的“感應配電系統”的專利，已成為近 20 年來感應無線電能傳輸技術發展史上的一個里程碑[32]，該專利首次系統地提出了感應無線電能傳輸裝置的結構和設計方法，該結構如圖 4 所示。發射線圈由三相交流電供電，具有并聯補償的能量拾取線圈或接收線圈，接收線圈輸出經整流和開關模式控制給負載供電，該結構在軌道電車非接觸供電和電動汽車無線充電中得到成功的應用。
21 世紀以來，感應無線電能傳輸技術開始走向產品化。2003 年，英國 SplashPower 公司開始進行感應無線電能傳輸的產品開發，2005 年研制的無線充電器“SplashPad”上市[38]，可以實現 1mm 內的無線充電;同年，美國 WildCharge 公司開發的無線充電系統，功率達到 90W，可以為多數筆記本計算機以及各種小型電子設備充電[39]，而香港城市大學的徐樹源教授則成功研制了通用型非接觸充電平臺[40]，充電時間與傳統充電器無異。2006 年，日本東京大學的學者利用印制塑性 MEMS 開關管和有機晶體管，制成大面積的無線電能傳輸膜片[41,42]，該膜片上印制有半導體感應線圈，厚度約為 1mm、面積約為 20cm2 、重約為 50g，可以貼在桌子、地板、墻壁上，為裝有接收線圈(用于接收電能)的圣誕樹上的 LED 燈、裝飾燈、魚缸水中的燈泡或小型電機供電。2007 年微軟亞洲研究院設計和實現了一種通用型“無線供電桌面”，可隨意將筆記本、手機等移動設備放在桌面上即可自動開始充電或供電[43];同年 3 月，美國賓夕法尼亞州的 Powercast 公司開發的無線充電裝置可為各種小功率的電子產品充電或供電，該技術采用 915MHz 的頻率，實現 1m 范圍內的無線電能傳輸，據稱約有 70%的電能轉化為直流電能，該技術已獲得美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)的批準[44]。
在大功率感應無線電能傳輸產品開發方面，主要集中在給移動設備，特別是在惡劣環境下運行的設備供電，例如電動汽車、起重機、運貨車以及水下、井下設備[45-51]。目前商業化產品的傳輸功率已達 200kW，傳輸效率在 85%以上，典型的有日本大阪幅庫(Daifuku)公司的單軌型車和無電瓶自動貨車，新西蘭奧克蘭大學所屬奇思(Univervices)公司的羅托魯瓦(Rotorua)國家地熱公園的 40kW 旅客電動運輸車以及德國瓦姆富爾(Wampfler)公司的載人電動列車，其總容量為 150kW，氣隙為 120mm[52]。此外，還有美國通用汽車公司(GM)推出的 EV1 型電動汽車感應充電系統、電車感應充電器 Magne-chargeTM，Magne-chargeTM 的工作頻率可以在 80～350kHz 范圍變動，傳輸效率達 99.5%。
2008 年 12 月 17 日，無線充電聯盟(Wireless Power Consortium, WPC)成立，是首個以感應無線電能傳輸技術為基礎的無線充電技術標準化組織[53]。2010 年 7 月，WPC 發布了 Qi 標準，同年 9 月 Qi 標準被引入中國，至 2014 年 2 月，WPC 的成員已經超過了 200 家企業或組織。2012 年又成立了電源事項聯盟(Power Matters Alliance, PMA)，也是以感應無線電能傳輸技術為基礎的無線充電技術標準化組織，2013 年 PMA 制定出自己的無線充電標準[54]。
國內關于感應無線電能傳輸技術的研究文獻最早可查的是 2001 年，西安石油學院的李宏教授介紹了感應無線電能傳輸技術[52]。此后，華南理工大學、重慶大學、天津工業大學、哈爾濱工業大學、中科院電工所、西安交通大學、浙江大學、南京航空航天大學等陸續開展了大量研究[55-64]。目前重慶大學孫躍教授領導的團隊在感應無線電能傳輸實驗方面，開展了大量的研究，并與新西蘭奧克蘭大學的 Patrick Aiguo Hu 進行了深層次的學術交流與科技合作，取得了較好的成果。2011 年 10 月在天津召開的國內首次“無線電能傳輸技術”專題研討會[65]，參會的專家們討論了無線電能傳輸技術的新進展和存在的一些問題，并達成了“天津共識”，對無線電能傳輸技術在國內的深入研究和繼續推廣具有重要的意義。
3.2 諧振無線電能傳輸技術
100 多年前特斯拉提出的無線電能傳輸技術，可以說是諧振無線電能傳輸技術研究的開始，但特斯拉去世后，相當長一段時間諧振無線電能傳輸技術被人遺忘，沒有取得實質性的進展。而進入 21 世紀，特斯拉利用諧振原理實現無線電能傳輸的設想再次被人關注。2006 年，麻省理工學院物理系 Marin Soljacic 教授找到了“抓住”發散電磁波的方法，利用物理學的磁諧振原理，讓電磁波發射器與接收器同頻諧振，使它們之間可以進行能量互換。他領導的研究小組進行的無線電能傳輸實驗表明，兩個相同設計的銅線圈(線圈直徑 60cm;線徑 6mm)，在同頻諧振情況下，可以將距離 7ft(大約 2m)的 60W 燈泡點亮，且整個系統的效率達 40% 左右，實驗裝置如圖 5 所示[66]。Marin Soljacic 教授的研究實證了特斯拉磁諧振無線電能傳輸的設想，是無線電能傳輸技術發展史上具有里程碑意義的突破。2007 年該成果被刊登在《Science》雜志上，掀起了國際上無線電能傳輸技術研究的熱潮，開始了諧振無線電能傳輸技術研究的激烈角逐。
2008 年 8 月，Intel 公司在英特爾開發者論壇上，展示了與麻省理工學院類似的磁諧振無線電能傳輸裝置，實現了在 1m 距離傳輸 60W 電能的同時，還保持了 75%的效率，是磁諧振無線電能傳輸技術的又一進步[44]。2009 年，日本東京大學的 Yoichi Hori 教授利用 15.9MHz 的諧振頻率，對電動汽車進行磁諧振無線充電，傳輸距離為 200mm，傳輸功率為 100W，效率達到 97%左右[67];同年，馬里蘭大學的 Sedwick 首次提出了用超導體實現長距離磁諧振無線電能傳輸的可行性，并對此進行了詳細的理論分析[68,69]。2010 年，Marin Soljacic 教授團隊開展了另一項磁諧振無線電能傳輸實驗，以 6.5MHz 的諧振頻率和超過 30%的效率，實現了 2.7m 的無線電能傳輸[70]。2011 年，有學者在 0.3m 的距離內，以 3.7MHz 的頻率實現了功率 220W、效率 95%的磁諧振無線電能傳輸[71];同年，韓國學者實驗驗證了兩個超導線圈間的磁諧振無線電能傳輸機理[72]，并在 2013 年又實現了 4 個線圈的超導磁諧振無線電能傳輸，且僅在接收端采用了超導線圈[73]。國內學者也對此進行了研究[74]，并申請了相關專利[75]。超材料應用于磁諧振無線電能傳輸中的技術也因此被提出來，并在實驗上取得了很好的成果[76-80]。國內大型企業海爾公司“無尾電視”采用的也是 MIT 的磁諧振技術[81]，現在正積極推廣其“無尾廚電”。2012 年 6 月，三星公司發布了采用磁諧振技術無線充電手機 Galaxy S III，是磁諧振無線電能傳輸技術在商業上的首次成功應用;同年，以諧振無線電能傳輸技術為基礎的無線充電聯盟(Alliance for Wireless Power, A4WP)也成立起來[82]，并于 2013 年推出了 Rezence 無線充電標準。
與磁諧振無線電能傳輸技術一樣，基于電場諧振的無線電能傳輸技術也得到了關注[83-85]，但目前相關成果并不多，有代表性的是 2008 年美國內華達州雷電實驗室，研制成功了基于電場諧振的無線電能傳輸裝置，將 775W 的功率傳輸到 5m 遠的距離，效率達到 22%[86]，電場耦合無線電能傳輸裝置如圖 6 所示。由于電場對環境的影響和要求不同于磁場，電場諧振無線電能傳輸技術只能在一些特殊的場合應用，局限性較大，因此目前被廣泛研究的主要是磁諧振無線電能傳輸技術。
國內對諧振無線電能傳輸技術的研究始于 2007 年，華南理工大學張波教授團隊采用與 Marin Soljacic 教授團隊的耦合模理論不同的電路分析方法，建立磁諧振無線電能傳輸系統的電路模型[87]，并提出了頻率跟蹤控制的方法。哈爾濱工業大學朱春波教授采用直徑為 50cm 的諧振線圈，實現了 310kHz 諧振頻率、1m 距離、50W 功率的傳輸[88,89]。天津工業大學楊慶新教授的團隊對從幾十 kHz 到 13.56MHz 的磁諧振無線電能傳輸系統進行試驗研究[90,91]。東南大學黃學良教授帶領的團隊采用頻率控制技術實現了距離 0.9m、60%的穩定傳輸效率，傳輸功率大約幾十 W[92]。重慶大學孫躍教授的團隊研發的磁諧振無線電能傳輸樣機，諧振頻率為 7.7MHz、傳輸距離為 0.8m、傳輸功率為 60W、傳輸效率為 52%[93]。清華大學的趙爭鳴教授系統地梳理了磁諧振無線輸電技術存在的問題并指出了未來的一些發展方向[94]，目前磁諧振無線電能傳輸技術在國內呈現出較好的發展勢頭。——論文作者：張 波 1 疏許健 1 黃潤鴻 2
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