無線電能傳輸技術綜述及應用前景

戴衛(wèi)力 費峻濤 肖建康 范新南

（河海大學計算機及信息學院（常州），江蘇 常州 213022）

1 引言

21世紀，人類面臨著實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，環(huán)境和能源問題已日益成為全球的突出問題之一。如何有效地利用現有能源，已引起了各國學者的廣泛關注。新型的電能存儲和傳輸技術，如飛輪電池、超級電容和無線電能傳輸[1-3]技術（WPT）等是實現能源高效利用的重要途徑。WPT在電動汽車、航空航天、電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、醫(yī)療儀器、照明、便攜式通訊設備等領域均有著廣泛的應用前景。隨著材料學、電力電子器件、功率變換和控制技術的發(fā)展，WPT的應用已逐步成為現實[9-10]，受到了越來越多的關注。

傳統(tǒng)的電氣設備都是通過插頭或插座等電連接器的接觸進行供電[10]。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導線，很容易產生接觸火花，影響供電的安全和可靠性，縮短電氣設備的使用壽命。同時，差的電氣接觸連接會增加接觸電阻，造成高溫引起火災，電氣開關還會引起拉弧的危險[10]。在礦井、油田鉆采等場合，采用傳統(tǒng)的導線直接接觸供電容易因接觸摩擦而產生微小電火花，進而引起爆炸，造成重大事故。在水下，導線直接接觸供電還會存在電擊的潛在危險。而給運動設備進行供電時，一般都采用滑動接觸供電，但這種供電方式存在滑動磨損、接觸火花、積碳和不安全裸露導線等缺點[13-15]。而WPT主要利用電磁耦合、微波、電磁共振等形式來傳輸電能，不存在導線連接，因此是一種安全、可靠的新型電能傳輸方式[16-18]。

2 無線電能傳輸技術

早在100多年前就有人提出了無線電能傳輸的偉大構想。物理學家Herz于1888年利用高頻微波能量和定向技術演示了500MHz脈沖能量的產生和傳輸，但由于當時缺乏能將微波能轉變成直流電的裝置而未能實現。兩年后，物理學家Tesla設想在地球與電離層之間建立大約8Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球表面的電磁波實現能量的傳輸。由于當時財力不足，Tesla的偉大構想并沒有實現。隨著現代功率變換技術、控制理論、磁性材料的發(fā)展，以及特殊場合下電能傳輸需求的增長，WPT的技術實現成為可能。就目前技術水平而言，實現WPT的技術方案主要包括非接觸式電磁感應耦合（ICPT）、射頻（RF）、微波以及電磁共振[9-10]。

2.1 電磁感應電能傳輸技術

ICPT主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合，以實現無電氣連接的能量傳輸。ICPT的傳輸功率大，能達幾百kW；而傳輸距離較短，約為1cm以下。

當變壓器松耦合時，在高頻交流激勵下，變壓器的原、副邊存在很強的電磁耦合，從而使得大氣隙下的能量傳輸變得可行[10]。ICPT系統(tǒng)主要由 3部分組成：①能量發(fā)射裝置，運用PWM控制將低頻電信號轉換成高頻，便于能量傳輸；②可分離變壓器，實現原、副邊的耦合電磁能量傳輸；③能量接收裝置，將傳輸過來的高頻電能整流成直流電供負載使用。

圖1給出了兩種不同電路拓撲的ICPT系統(tǒng)。其中，圖（a）為全橋拓撲，反饋控制并不采用導線連接，而是依靠無線傳感器檢測出輸出極的負載電壓和電流，將其反饋給發(fā)射極以實現閉環(huán)控制；圖（b）采用了半橋拓撲，在控制上原、副邊各自有獨立的調節(jié)器，使發(fā)射極和接收極能進行獨立控制。

圖1 非接觸式電能傳輸系統(tǒng)

從上述 ICPT系統(tǒng)可看出：要實現大氣隙下能量高效傳輸的關鍵是要研制出耦合系數高，漏感小的可分離變壓器。圖2給出了新西蘭奧克蘭大學在電動汽車非接觸式行車充電系統(tǒng)中采用的分離式變壓器，繞組由導電性強、損耗較小的利滋線繞制而成，氣隙為10mm。

圖2 電動汽車非接觸式行車充電軌道

由于可分離變壓器比電磁緊耦合的變壓器漏感要大，在開關管關斷時，開關管上會引起很大的電壓尖峰，且大部分能量會損耗在漏感上。因此，需給變壓器的原、副邊加補償電路。文獻[9]給出了多種補償方式（見圖 3），并就補償電路的諧振頻率進行了分析。文獻[5]、[20]指出：要實現能量傳輸，減小變壓器體積，就必須提高工作頻率。而高頻會使開關管的電壓、電流應力增加，因此還需采用軟開關技術。

圖3 補償電路類型

20世紀 90年代初，新西蘭奧克蘭大學功率電子學研究中心的 Boys教授領導的課題組率先對ICPT技術進行了系統(tǒng)性的研究，先后獲得了多項發(fā)明專利，并將該項技術成功推往美國、日本、德國和法國等地。

2.2 射頻電能傳輸技術

射頻電能傳輸技術（Radio Frequency Power Transmission，RFPT）主要通過功率放大器發(fā)射射頻信號，然后通過檢波、高頻整流后得到直流電供負載使用。

RFPT傳輸距離較遠，能達10m，但傳輸功率很小，大約為幾mW至100mW。其主要用途是在便攜式終端中提供待機時損耗的功率。如果將電能發(fā)射器裝在室內的電燈等器具中，可能不需要特意將便攜式終端放置于充電器上就可進行充電。RFPT技術在醫(yī)療電子行業(yè)也得到了長足發(fā)展。

在醫(yī)療應用領域，可用于人工心臟中的核電池充電，耳蝸植入裝置供電等。醫(yī)療植入式裝置無線電能傳輸系統(tǒng)的基本工作原理是采用 E類放大器（見圖4）作為RFPT系統(tǒng)的發(fā)射極，產生的耦合電磁波經穿透人體后，通過諧振回路將電磁波轉化為電能，再經過整流、濾波、穩(wěn)壓等輔助電路而得到所需的工作電壓。采用 RFPT技術，可以避免人體受感染的風險，同時又解決了電池壽命有限的問題。

圖4 E類放大器

2.3 微波電能傳輸技術

微波電能傳輸（Microwave Power Transmission，MPT）是將電能轉化為微波，讓微波經自由空間傳送到目標位置，再經整流，轉化成直流電能，提供給負載。

1968年，美國工程師P Glaser首先提出了一種使用MPT技術的太陽能發(fā)電衛(wèi)星，其基本構想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電衛(wèi)星基地，利用取之不盡的太陽能來進行發(fā)電，然后通過微波將電能傳輸到地面的接收裝置，再將所接收的微波轉變成電能供人類使用。這種構想的最大優(yōu)點在于充分利用太陽發(fā)出的能量，整個過程是個太陽能、電能、微波、電能的能量轉變過程。2003年，科學家在非洲成功完成了MPT實驗，使得整個村莊實現了無線供電。MPT的傳輸效率不高，工作頻率主要工作在C波段（5.8～35）GHz，由于MPT技術受地形及環(huán)境影響較大，真正得以應用還尚有距離。

MPT技術適合應用于大范圍、長距離、且不易受環(huán)境影響的電能傳輸場合，主要有空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電等。微波電能傳輸技術在對植入式遙測裝置進行能量傳輸時，會對人體產生一定的傷害，因而微波傳輸技術是不適合用于生物醫(yī)學領域的能量傳輸。

2.4 電磁諧振電能傳輸技術

電磁諧振型電能傳輸技術（Electro-magnetic Resonant Power Transmission，ERPT）主要是利用接收天線固有頻率與發(fā)射場電磁頻率相一致時引起電磁共振，發(fā)生強電磁耦合的工作原理來實現電能的高效傳輸。2006年，麻省理工學院Soljacic助理教授帶領的研究小組成功地將一盞距離發(fā)射器2.13m外的60W燈泡點亮。實驗表明：當收發(fā)雙方相隔2m時，傳輸60W功率的輻射損失僅為5W。因此，在幾米內的中程距離傳輸電能是可行的。采用ERPT技術，電能傳輸距離可以達3～4m，傳輸功率可高達幾kW。

在強耦合環(huán)境中使用自諧振線圈，通過實驗驗證了非輻射功率傳輸，其傳輸距離能達到8倍的線圈半徑。在2m多的距離內，能傳輸60W左右的功率，效率超過40%。我們建立了個有效的模型來描述這種電能傳輸，其結果與實驗誤差在5%以內。最后討論了這種系統(tǒng)的實際應用和進一步研究的方向。

射頻傳輸，盡管非常適合信息傳輸，但在功率傳輸應用方面還有許多的困難：如果輻射發(fā)散的話，傳輸的功率很低。兩個具有相同頻率的諧振物體能很有效的交換能量。本文要關注的是特殊的物理現象：磁諧振，在MHz頻率下的磁諧振感應。然而非諧振物體在中距離傳輸上是無效的。

可以用耦合模式理論來描述在特定環(huán)境下高效的中等功率傳輸。其線性方程如下：

效率能量傳輸的關鍵是當κ2/ΓSΓD＞1，這就是通常所指的強耦合區(qū)域。諧振在功率傳輸裝置中扮演著最基本的角色。

3 無線電能傳輸的主要應用領域及前景

目前WPT技術還大多處在研究階段，有產品應用的主要是ICPT和RFPT技術。ICPT技術主要應用于電動汽車、機車的充電軌道、礦井和水下探測。而RFPT則主要應用于醫(yī)療器械和便攜式電子產品。隨著MPT和ERPT技術的發(fā)展和逐步成熟，無線電能傳輸的應用領域還在不斷拓展：照明、太陽能電站以及航空航天系統(tǒng)等都將成為無線電能傳輸的新領域。以下就WPT最受關注的應用領域進行探討。

3.1 交通運輸領域

在交通運輸領域采用的是 ICPT技術，主要應用于軌道機車和電動汽車的充電裝置中。美國工業(yè)協(xié)會將電動汽車的感應式充電系統(tǒng)按功率分為 3類：①用于應急的小功率充電器，功率等級為1～3kW；②中等功率充電器，功率等級為5～25kW，完成充電需 4～8h；③快速充電器/柜，功率等級為75～300kW。

挪威的Parkon公司正在研發(fā)基于ICPT技術的專用充電裝置。該裝置通過線性光學定位系統(tǒng)，引導駕駛員將車身上的充電插座對準固定的充電器插頭，利用汽車自身的動力，將充電器的插頭和插座牢牢地連接起來。ICPT技術的難點在于能量的傳輸定位以及如何提高系統(tǒng)效率。新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司已將ICPT技術成功應用于Rotorua國家地熱公園的30kW旅客電動運輸車[13-16]。20世紀90年代后期，日本、德國等國家也開始從事 ICPT的研究和實用化產品開發(fā)，獲得了一定的技術突破和相應的實用產品，如日本大阪富庫公司的單軌型車和無電瓶運貨車、德國奧姆富爾（Wampeler） 公司的150 kW載人電動火車，軌道長度達400m，氣隙為120mm，是迄今為止建造的最大的ICPT系統(tǒng)。該公司還將 ICPT技術用于電動游船的水下驅動裝置[13，21]。美國通用汽車公司子公司Delco Electronics研制的 Magne-chargeTM 是最先商業(yè)化的電動汽車ICPT系統(tǒng)之一，現正由Delco生產和銷售，專用于GM的EV1型電動汽車充電。1995年1月，美國汽車工程協(xié)會根據Magne-charge TM系統(tǒng)的設計，制訂了在美國使用 ICPT技術進行電動汽車充電的條例——SAE J-1773[22，29]。

3.2 醫(yī)療器械領域

WPT技術的發(fā)展也改變了醫(yī)療植入式電子系統(tǒng)的供電方式。如心臟啟博器的核電池，其充電方式一般采用ICPT和RFPT等進行體外能量傳輸。

在醫(yī)療電子系統(tǒng)中，主要采取RFPT技術，通過體外與體內兩個線圈之間的電磁耦合輸送電能，主要有經皮能量傳輸和直接能量傳輸。Fernhndez等人設計了一種用于耳蝸植入裝置的經皮能量傳輸系統(tǒng)，采用E類發(fā)射電路驅動射頻線圈，最高效率可達到75%。受兩線圈距離及失配情況影響，兩線圈間的距離在3～10mm左右，發(fā)射電路由電池供電，接收線圈連到整流電路及負載，最后可得到5V直流電壓。

隨著植入式系統(tǒng)的復雜化，系統(tǒng)的功耗越來越大，對于短期植入式系統(tǒng)，電池完全可以勝任（如膠囊內窺鏡），但對于長期植入式系統(tǒng)往往不能滿足要求。無線和光電供電能解決上述問題。基于E類放大器的電磁感應供電效率可達到70%左右，還可以同時傳輸數據，但RFPT技術容易受其他電子設備發(fā)生干擾。不同的供電方式之間也可結合使用，如日本柴建次和越地耕二將射頻經皮能量傳輸與可充電電池結合，為人工心臟提供能量。

3.3 便攜通信領域

近年來，WPT在便攜通信領域也日漸風靡。并已有不少高科技公司涉及這一領域，如美國 Splash Power公司和Power Cast公司。Power Cast 公司開發(fā)的電波接收型電能儲存裝置是以美國匹茲堡大學研發(fā)的無源型RFID技術為基礎，通過射頻發(fā)射裝置傳遞電能。而Splash Power公司則以ICPT技術為突破，開發(fā)了手機充電平臺。香港城市大學的許樹源教授也通過深入研究，研制出了基于ICPT的手機、MP3等便攜式通信設備充電平臺，并已開始進行成果轉化。

3.4 航空航天領域

微波電能傳輸在航空航天和電力領域已開始得到應用。日本郵政省通信綜合研究所和神戶大學工學部于1995年成功地開發(fā)了利用微波輸送5kW電力的無線輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸送的電力，主要作為飛艇的能源來使用。通信綜合研究所、神戶大學、通產省機械技術研究所等共同開發(fā)的WPT系統(tǒng)是由直徑為3m的拋物面天線，向飛艇集中發(fā)送微波，用安裝在飛艇上的特殊天線接收，送電用的天線附有跟蹤裝置。即使飛艇隨風漂移，也可準確跟蹤完成送電。

MPT技術的發(fā)展也推動了空間太陽能發(fā)電和衛(wèi)星技術的革新。空間太陽能電站發(fā)出的電能可通過微波向衛(wèi)星和地面?zhèn)鬏旊娔堋？臻g太陽能電站中的WPT技術發(fā)展經歷了很多的階段，發(fā)射，反射和接收技術等得到了很大的發(fā)展。微波頻率已突破傳統(tǒng)的 2.45GHz，提高到 5.8GHz，大大減小了 WPT系統(tǒng)的體積，降低了電站成本。美國、俄羅斯、日本等國在MPT技術上的最大問題是傳輸效率不高，發(fā)射與接收效率不高，大氣衰減嚴重。在整個無線電能傳輸系統(tǒng)中，電流至微波的轉換效率很低，因此首先要提高微波發(fā)生器的轉換效率。

3.5 水下探測領域

水下探測也是WPT系統(tǒng)的一個重要應用領域。美國Wisconsin大學在這方面率先展開了研究[30]。采取的主要技術是ICPT技術，其分離式變壓器采用的是線性同軸繞組變壓器（見圖5）。Wisconsin大學的研究小組對WPT系統(tǒng)在水下的額外阻抗和功率損耗，同軸變壓器的設計原則，變換器原、副邊側的電路拓撲以及傳輸電纜的設計均進行了深入地研究。該課題小組研制的樣機耦合傳輸功率為500VA。

圖5 水下無線電能傳輸系統(tǒng)

水下高頻功率傳輸，損耗是關鍵問題。由于海水是優(yōu)良導體，其電阻隨著頻率的增長而增加。隨著工作頻率的提高，海水導電面積減小，電流主要從電纜流通。海水作為導體損耗增加。在研究水下電能傳輸時，可將海水看作與原邊繞組同軸匝鏈的繞組，通過增加耦合來限制電流路徑，以減小耦合海水的損耗。

水下電能傳輸可用于深海潛水，深海油田與深海采礦。同時，水下電能的獲取還能增強非核動力船只的續(xù)航能力。

4 結論

文章探討了新的電能傳輸方式——無線電能傳輸，并按技術特點分別對ICPT、RFPT、MPT以及ERPT等不同電能傳輸技術進行了介紹，歸納了各自的技術特點、關鍵問題和應用領域。

在我國，無線電能傳輸技術的相關研究和應用才剛開始起步，僅有綜述性文獻和個別小功率樣機的研究報道[23-29]。不同無線電能傳輸技術的發(fā)展必將推動WPT系統(tǒng)的工程應用和產業(yè)化，從而為提高人類的生活品質、節(jié)約能源、電能的有效利用開辟一條新的途徑。

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