無線電能傳輸技術的關鍵基礎與技術瓶頸問題

楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻 李 陽

(天津工業大學天津市電工電能新技術重點實驗室 天津 300387)

?

無線電能傳輸技術的關鍵基礎與技術瓶頸問題

楊慶新 章鵬程 祝麗花 薛 明 張 獻 李 陽

(天津工業大學天津市電工電能新技術重點實驗室 天津 300387)

近幾年，電氣科技工作者對無線電能傳輸技術的研究探索如火如荼，應用領域也在不斷擴大。隨著研究的深入，有許多關鍵基礎問題和技術瓶頸問題需要解決。文章首先對該技術的近期研究現狀作了簡要回顧。其次重點提出了目前亟待解決的7個關鍵基礎問題和4個技術瓶頸問題。最后對無線電能傳輸技術的應用前景作了進一步的展望，重點介紹了高速列車無線供電技術以及前期研究工作。

無線電能傳輸技術 基礎問題 技術瓶頸 應用前景 高鐵列車

0 引言

無線電能傳輸可以避免用電設備與電網的直接連接，具有靈活、安全、可靠等優點，克服了電接觸的不穩定性、電氣設備移動的局限性等問題，成為有線供電模式的重要補充，因此受到世界各國同行的重視。

迄今為止能夠實現電能無線傳輸的方式主要有電磁感應耦合、磁諧振耦合、電場耦合、微波、激光、超聲波等。國內外已有文獻對前5種方式進行了詳細介紹[1-4]。超聲波無線電能傳輸技術相對于其他傳輸方式研究較晚，主要集中在低功率移動設備的供電和可行性研究方面[5]。

近幾年，電氣科學家們對無線電能傳輸技術的研究探索達到如火如荼的程度，應用領域也在不斷擴大。然而，隨著研究的深入，有許多關鍵基礎問題和技術瓶頸問題需要解決，這些問題的解決對推動無線電能傳輸技術的發展具有重要意義。本文首先對該技術的研究現狀進行簡要回顧，其次重點總結提出亟待解決的關鍵基礎問題和技術瓶頸問題，這些問題均具有方向性和指導性，提供給同行們研究探索，以期早日獲得突破。最后對無線電能傳輸技術的應用前景作了進一步的展望，重點介紹了作者研究團隊提出的高速列車無線供電技術以及所做的前期研究工作。

1 無線電能傳輸技術的近期研究現狀

近年來，無線電能傳輸技術以其便捷、靈活、安全及環境友好等優點得到了快速發展。

1.1 國外研究現狀

2012年，意大利佩魯賈大學的學者設計出具有不同頻率通道的能量傳輸系統并將能量和信息進行同時傳遞[6]，此外他們還提出分析計算平面螺旋線圈諧振頻率的簡便方法，并應用程序及軟件計算線圈集總參數[7]。

2013年Olutola Jonah等[8]在混凝土結構中應用強耦合技術實現距離為10 cm、濕度范圍在0.2%～38.5%、效率范圍在17.2%～38.5%的無線輸電實驗。

2014年David S.Ricketts等[9]設計了一種具有高品質因數的阻抗-頻率高準確度匹配三線圈結構，并通過無線電能最小功率傳輸實驗證明了該線圈結構的優越性，其傳輸性能在原來基礎上提高了約30%。

2011年，美國華盛頓大學、匹茲堡大學醫學中心與英特爾宣布，基于磁耦合諧振無線電能傳輸技術，試制出了植入式人工心臟適用的供電系統，將裝有接收線圈的人工心臟放在盛滿水的容器中，實現了電能的無線傳輸[10]。除了在醫療領域之外，美國華盛頓大學還在考慮把無線電能傳輸技術應用于海洋中設備的供電。

在微波無線電能傳輸方面，2008年5月，美國國家航空和宇宙航行局在夏威夷主島成功將20 W微波能量從一個山頂傳輸至148 km外的一座島嶼上，采用平面陣列的發射天線，工作頻率為2.45 GHz。這是迄今傳輸距離最遠的微波能量傳輸實驗，證明了空間微波能量傳輸的可行性。美國計劃2020年實現可以實用的太陽能衛星電站。2012年日本宇航局與東京大學合作，針對未來低軌小衛星空間太陽能微波能量傳輸實驗研制了微波發射天線陣列，總功率可達到1.6 kW。

1.2 國內研究現狀

重慶大學孫躍教授課題組[11]利用互感耦合模型，分析了磁共振模式電能傳輸系統的4種拓撲，給出了系統發射線圈恒流，輸出電壓恒壓的參數邊界條件且優化了系統的磁路機構。對電能諧振式無線電能傳輸系統的損耗問題和感應耦合無線電能傳輸電源規劃問題也進行了研究。

東南大學黃學良教授課題組[12]提出了一種在給定工作頻率、傳輸距離下的盤式諧振器的優化與設計方法。研究傳輸效率及輸出功率與線圈距離、工作頻率、負載電阻之間的關系。對雙中繼無線電能傳輸系統和系統中遇到金屬介質障礙物的情況進行了探討。

哈爾濱工業大學朱春波教授課題組[13，14]分析了中繼線圈在諧振頻率時的工作特征以及電流放大的理論機理和單管E類功率放大器的負載阻抗特性及影響負載網絡的因素，還研究了加入平板磁心的無線電能傳輸系統中耦合系數的變化，工作頻率對傳輸的影響，發射與接收的移位傳輸以及系統的功率傳輸特性。另外，對自主無線充電功能的室內移動機器人系統和采用無線電能傳輸技術的無尾家電進行了詳細研究。

華南理工大學張波教授課題組[15]從電路角度分析了磁耦合諧振傳能系統的傳能效率與距離和線圈參數的關系，在此基礎上加入頻率跟蹤系統用以解決傳輸過程中由于頻率失諧帶來的傳輸效率低的問題，并于2014年獲得題為“分數階電路系統諧振無線電能傳輸機理及關鍵問題研究”的國家自然科學基金重點項目支持。

清華大學趙爭鳴教授課題組[16]分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的基本結構和工作原理，并對無線電能傳輸系統中兩線圈和四線圈基本結構進行比較，得出了在傳輸效率相同的情況下，增加源線圈和負載線圈的四線圈結構更容易實現一次側和二次側匹配的結論。于歆杰副教授[17]研制了應用于心臟起搏器的經皮能量傳輸系統。王志華教授課題組[18]對植入式醫療通信與射頻集成電路進行了研究設計，并撰寫專著《Wireless Power Transfer for Medical Microsystem》。

香港理工大學傅為農教授課題組與武漢大學王軍華教授[19]合作研制了一種平面螺旋諧振線圈，在發射諧振線圈和接收諧振線圈相距20 cm時，諧振頻率為5.5 MHz，傳輸效率為46%。此外，他們還設計了一種名為“TC-WiTricity”的充電器。該充電器應用TiO2納米粉末以及C4H6O2乳膠結合制成，降低了諧振器的諧振頻率。

在微波無線電能傳輸方面，四川大學于2013年9月建立了kW級、km級無線能量傳輸試驗裝置。采用4個800 W磁控管進行功率合成，使用自行設計的平面天線和接收整流天線陣列，實驗中的發射天線陣列口徑為16 m2，接收天線陣列口徑為64 m2。微波整流電路轉化效率達到75.26%，系統總效率達到了5.71%。

本文作者所在課題組于2013年提出將無線電能傳輸技術應用于高速列車供電的設想，并作了初步研究工作，2014年得到了題為“高鐵列車無線供電方法中的幾個關鍵基礎問題研究”國家自然科學基金的支持。并于2014年8月出版了學術專著《無線電能傳輸技術及其應用》。

同濟大學、南京航空航天大學、上海交通大學和浙江大學等也取得了有價值的研究成果。

2014年3月，全國家用電器標準化技術委員會無線輸電家電分技術委員會成立。2014年4月，中國電工技術學會無線電能傳輸技術專業委員會成立。2015年1月，中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專業委員會成立。

2014年5月香山科學會議第499次學術討論會召開。大功率無線電能傳輸技術及其科學問題、空間太陽能電站發展核心技術問題為該會議的中心議題。我國有望于2030年研發出首個空間太陽能電站，這意味著微波無線電能傳輸技術在我國將得到飛躍發展。

2 無線電能傳輸技術的關鍵基礎問題

無線電能傳輸技術盡管發展迅速，但仍存在一些關鍵基礎科學問題需要研究。

2.1 無線電能傳輸技術發送與接收的新原理

如前所述，電磁感應耦合、磁諧振耦合、電場耦合、微波、激光和超聲波等是無線電能傳輸的主要方式，它們各有優缺點和應用局限性。微波和激光傳輸距離遠，但效率極低，適用于一些特殊的場合，如軍事、空間太陽能電站等；超聲波和電場耦合無線傳輸技術無磁場輻射，但傳輸功率??；電磁感應耦合傳輸功率大，但傳輸距離很短，適用于近距離場合；磁諧振耦合傳輸距離高于電磁感應耦合，效率高于微波等無線傳輸技術，但在大功率、遠距離多種應用場合仍不適應。人們基于現有無線傳輸方式，通過改進和組合應用，提高了傳輸效率和距離，但與實際需求還有一定差距。

為推動無線電能傳輸技術的進一步發展，尋找新原理、新方法的無線電能傳輸方式是該技術亟待解決的問題。

2.2 無線電能傳輸空間功率密度分布及傳遞機理

在無線電能傳輸技術的理論研究中，人們主要采用電路理論[20]和耦合模理論[3，21，22]對無線電能傳輸系統進行定量分析。應用電路理論來分析系統傳輸功率和效率及其與傳輸距離、系統參數之間的關系；采用耦合模理論來闡述電磁諧振耦合式無線電能傳輸技術的基本特點與前提條件。然而，對無線電能傳輸的空間功率傳遞機理，功率密度在一定空間范圍內隨時間-空間變化的分布關系的研究及如何定量地表述其與系統參數之間的關系至今未見相關文獻闡述。此基礎性問題的解決可使我們了解和掌握能量空間傳遞規律，更好地約束和利用這些空間能量，控制能量傳輸方向并提高其利用率。

2.3 近場諧振耦合傳輸方式的方向性問題

磁諧振耦合無線電能傳輸系統中發射端與接收端之間的方向性問題首先由美國麻省理工學院的Marin Soljacic教授等提出，文獻[3]認為，基于磁諧振耦合技術的無線電能傳輸幾乎可以做到無方向性，但文中針對方向性的問題并未給出解釋、推理以及實驗方面的具體數據。由此，國內各科研院所和高校也對方向性問題進行了大量的分析和實驗研究。文獻[23]從過耦合、臨界耦合和欠耦合3個方面對磁諧振耦合無線電能傳輸系統方向性進行了分析，并根據理論分析設計相關的實驗模型，通過實驗驗證無線電能傳輸系統同軸、平行放置，系統工作在過耦合狀態，在一定范圍是無方向性的；系統工作在臨界耦合和欠耦合范圍內是有方向性的。文獻[24]認為，在一定的水平錯位和角度偏移下，系統的傳輸效率會降低。

大量實驗研究也表明，該傳輸方式有明顯的方向性特征。目前，人們對無線電能傳輸系統方向性的有無或在某一特定條件下方向性是否存在及在系統存在方向時，系統耦合角度、偏移距離與傳輸距離、傳輸功率和效率之間的定量關系，仍未獲得一致的結論，還需進一步進行理論研究。

2.4 無線電能傳輸系統的電源頻率與傳輸距離及功率的定量關系問題

電源頻率與傳輸距離及功率的關系始終是無線電能傳輸系統中研究的重點和熱點問題。依據國內外研究成果，感應耦合式無線電能傳輸系統的傳輸效率會隨傳輸距離的減少而增大[25]；在磁諧振耦合式無線電能傳輸系統中距離減小到一定程度后，功率會隨傳輸距離的減少而減少，而改變電源頻率則可提高傳輸功率，也就是在該系統中會出現頻率分裂現象[22，26]。

在無線電能傳輸應用系統中，傳輸距離、傳輸功率和電源頻率之間相互影響。但到目前為止，對無線電能傳輸系統中電源頻率與傳輸距離及功率之間的定量關系尚未見報道。在實際應用中，如在傳輸距離一定時，如何根據傳輸功率定量給出電源頻率；或傳輸功率一定時，如何確定最佳傳輸距離等的每一個具體數值都需要通過多次實驗來確定三者之間的關系。針對一種或多種無線電能傳輸方式，如何采用解析或數值的方法給出電源頻率與傳輸距離及效率之間的定量關系具有重要的現實意義，也是該領域研究人員需要關注和解決的基礎問題。

2.5 無線電能傳輸空間內生物安全性問題

無線電能傳輸技術利用中高頻電磁場耦合實現電能傳遞，其中高頻的電磁能量必然會有一部分進入系統外部的一些物體，比如人體、墻體及周圍環境等。尤其是在進行遠距離大容量電能傳送時，電磁輻射功率會更大，相應的泄露到外圍物體上的能量也就會越多。

生命體長期暴露在超過安全限值的電磁環境中，會使其生物機能下降，患神經系統、心腦血管系統和生殖系統疾病的概率增加，甚至還會影響人的心理和行為健康。多數文件通過比吸收率(Specific Absorption Rate)來描述電磁輻射限值[27]。國際上對于電磁曝露限值存在兩大主流標準，一是ICNIRP(International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection)標準，它由國際非電離輻射防護委員會發布，主要使用范圍在歐洲和澳大利亞等。另一標準是美國電氣電子工程師學會(IEEE)標準，主要使用范圍在美國、加拿大和日本等。

文獻[28]對人體在四線圈系統中的電磁場暴露問題進行了詳細分析，并對成人與兒童的全尺寸模型進行了仿真與實驗研究，最終得出人體模型輻射限值。

目前學者主要通過對模型進行仿真和測試的方法定量分析無線電能傳輸系統，并將結果與現有標準進行比較。為了系統地研究無線電能傳輸空間內的生物安全性問題，應分階段進行不同功率等級、不同頻段的生物體實驗，建立實驗數據庫并進行長期觀察與統計，從而獲得生物體受高頻電磁環境影響的相關結論。

2.6 高速運動在線無線供電情況下供受電體之間的受力問題

根據電磁感應定律，只要穿過回路磁通量發生改變，回路中就會有感應電動勢產生。引起磁通量變化的原因包括：①回路在磁場中無相對運動，但磁場空間分布隨時間變化，這一原因產生的感應電動勢稱為感生電動勢；②回路相對于磁場有運動，這一原因產生的感應電動勢稱為動生電動勢。

對于電能發送端與接收端相對靜止的中短距離無線電能傳輸系統，接收端線圈中的電壓一般可認為來源于感生電動勢。當發送端與接收端之間存在相對運動，且在高速狀態下進行無線輸電時，接收端將受到感生電動勢和動生電動勢的共同作用。前者的存在實現了電能的無線傳輸，同時在磁屏蔽裝置上感生渦流并產生損耗；后者的存在導致接收端將受到一定程度的電動力的作用。如果考慮接收端運行至不同位置時，多個發送端進行切換時電流突變而引起的瞬時電動力問題，系統運行狀態將更加復雜多變。

因此，為了準確分析高速運動物體進行在線無線電能傳輸時的受力問題，應針對不同工作頻率及相對運動速度對系統穩態和瞬態過程進行求解分析，準確評估供受電體所受的電動力影響。

2.7 先進材料在無線電能傳輸中的約束作用機制

無線電能傳輸追求的目標之一是實現遠距離、大功率和高效率無線供電，借助先進材料特性一方面降低損耗并拓展傳輸距離，另一方面在供電同時對電能傳輸區域外物體影響盡量小。目前由于多個因素的限制，以上幾方面并不能同時達到要求，但先進材料的引入已獲得傳輸性能的提升。

為了減小系統的歐姆損耗，提高電能轉換效率，文獻[29]采用超導材料制作了用于電能耦合的線圈天線，并對無線電能傳輸的效率、功率和電磁場等問題進行了實際測量，結果表明加入超導材料后系統將獲得更為突出的傳輸性能。為了集中電能功率密度并減小高頻電磁場對外界物體的影響，必須研究對電能傳輸機構進行電磁屏蔽。目前一般采用錳鋅功率類和高頻鎳鋅鐵氧體材料構成方形或圓形磁屏蔽結構，從而將空間能量交換約束在線圈臨近有限空間內。為了拓展無線電能傳輸范圍，研究人員利用超材料(Metamaterial)開發的方形超透鏡在遠大于發射器和接收器本身尺寸的距離內高效地聚焦磁場。超材料是一類具有常規材料不具備的超常物理性質的人工復合材料，其超常物理性質主要由新奇的人工結構決定。采用超材料構成的多單元復合結構可以增強磁場間的耦合效果，在拓展傳輸距離的同時也提高了傳輸效率[30]。

伴隨著材料科學的快速發展，具有更加優異特性的先進材料將不斷被應用于無線電能傳輸系統中，上述諸多束縛和限制將會得到改善或解除。

3 無線電能傳輸技術的技術瓶頸問題

除了基礎問題以外，無線電能傳輸技術也存在一些技術瓶頸問題需要解決，下面分別敘述。

3.1 系統總體技術集成問題

無線電能傳輸技術作為一種新型的電能傳送技術，可以實現一定距離內的無線輸電。但如何克服干擾、提高輸送效率和距離、安全可靠運行、計量電費、使系統智能化以及符合現有認知標準等，這些都涉及到系統總體技術集成，問題如下：

1)如何提高系統傳輸電能的效率。系統損耗主要來源于線圈電阻損耗和高頻器件損耗。因此，如何結合實際應用特點，選取器件、設計電路、采用軟開關算法、優化系統傳遞與接收端設備的結構等以進一步降低損耗，提高效率，是無線電能傳輸技術需要解決的一個重要技術問題。

2)諧振頻率跟蹤、交互的通信。對于短距離無線電能傳輸技術而言，發射端與接收端處于諧振狀態是實現電能成功傳送的關鍵因素。在無線供電過程中，負載端有可能存在位置偏移或超出工作區域等工況，控制程序經常要求獲得裝置的具體位置以及工作狀態等信息，以方便系統判斷并工作于不同模式。對移動的負載端供電時也需要檢測負載端所處的位置以便獲得最佳的傳輸效率。因此還要求系統具有實時高效的控制策略以滿足諧振頻率跟蹤和位置自適應需求。

3)系統外物體對系統正常工作的擾動影響分析。由于短距離無線輸電系統耦合機構的發射端與接收端之間具有一定的工作間距，其在實現電能的無線傳遞同時，輸電系統外部物體有可能進入該區域而影響正常工作。干擾物體，尤其是電或磁的良導體，進入電能傳輸區域時不僅會使系統的諧振點發生偏移，還會使系統增加額外損耗。因此，應研究外部物體對系統正常工作的擾動機理并獲得檢測與降低擾動的有效手段，量化擾動物體材質、尺寸、相對位置與持續時間對系統的影響程度，根據結果加入保護算法、檢測方法并劃分不同的工作模式以提高系統穩定性。

4)高可靠性大功率無線輸電電源的研制。目前無線輸電電源一般采用IGBT和MOSFET管構成橋式拓撲結構，并配合不同軟開關算法實現電能的無線傳輸。當短距離無線充電負載功率進一步增大時，需要對逆變功率管進行并聯擴容，而傳輸功率的規模直接增加了電源設計與運行的難度。因此，設計合理的拓撲結構實現高可靠、大功率電源是將無線電能傳輸技術應用于大功率負載輸電的前提條件。

5)在無線模式供電下，應該給誰受多少電，電費如何計量，這涉及系統的智能化技術。

6)理論模型指導以及仿真優化問題。無線電能傳輸技術集合了電磁場、電力電子、控制理論與控制工程等多學科的基礎理論及應用技術，該技術的不同種類又分別體現出不同的工作特性。目前采用的互感模型、耦合模模型、散射矩陣模型雖然在一定程度上可以反映系統工作的基本特性，但所得結果與實際工況還存在一定的差距，因此還需進一步修正和完善。

3.2 無線充電網絡電源管理技術問題

無線電能傳輸技術的使用特點之一是有很高的靈活性。在無線充電網絡中，電能之間的傳遞可以是一對一的，即一個能量發送源向一個能量接收器進行傳遞能量。同時該技術也允許一對多、多對一或者多對多的使用方式，比如電動汽車的使用，在一定范圍內由電網的一個發送源向多個汽車同時進行供電。再如，家庭用無線充電網絡，當放置一個發送源不能滿足要求時，可以放置多個發送源協同工作，如圖1所示。

圖1 多個無線供電模塊協同工作Fig.1 Cooperative work of multi wireless power supply modules

因此無線充電網絡在運行時，需要對多個發送源和多個接收器進行有效的統一管理。當該系統工作在一對多模式下時，系統根據充電設備信息自動判斷容量是否足夠，滿足要求時充電開始，當發現系統容量不足時，應首先對優先級高的設備進行充電。同時，當有新的設備接入網絡時，應首先判斷系統剩余容量能否滿足新接入設備，如果可以則開始正常充電，如果發現不能滿足，則系統不應對該設備充電，而應保證原有設備的正常充電。對于多對一模式，系統應該首先判斷充電對象的容量，然后合理組合開始充電，當系統充電容量過剩時，也應按照優先級順序依次切除。在多對多模式下工作時，應保證電源間的協同工作，合理分配充電設備和容量，從而保證充電的正常進行。

3.3 電磁兼容及頻段占用技術問題

電磁兼容的基本內容之一是各個電子電氣設備在同一空間中同時工作時，總會在周圍產生一定強度的電磁場，該電磁場通過一定的途徑，以輻射、傳導的方式把能量耦合到其他的設備，使其他設備不能正常工作，同時這些設備也可能從其他電子設備產生的電磁場中吸收能量或者受到干擾，導致自身無法正常工作。

無線電能傳輸系統在工作時周圍空間會存在高頻電磁場，發送源與接收器通過電磁場完成電能的傳遞與數據的交換。這樣系統本身電子器件應該滿足電磁兼容指標，不受自身發出的空間電磁場的影響，同時系統應該能很好地處理系統外部物體進入時所帶來的通信信號干擾和電能質量波動問題，以保證系統的正常工作。同時應該注意的是無線充電工作時的頻率不應與現行頻率相沖突，比如移動通信用各頻段、電視信號用頻段以及廣播用無線電頻段等，也不能對現有的通信網絡造成不良影響。所使用的頻率應當經過無線電管理機構的批準。

3.4 產品標準化技術問題

產品相關標準的建立是產品良好發展的有力保證，標準化生產能夠幫助企業提高效率、降低成本，使企業走上良性發展的道路。無線電能傳輸技術涉及電氣工程、自動化、生物醫學工程、通信工程等專業，以及能源、建筑、機械制造、航空航天等領域，產品覆蓋醫療衛生、新能源、交通、通信設施、居民住宅等多個方面，因此涉及領域廣。國內國際現有的生產制造、運營及監督標準已不能滿足無線電能傳輸技術發展的需要，亟需補充擴展。同時制定具有我國自主知識產權的標準也是自主創新的一個重要體現。

4 無線電能傳輸技術的應用前景展望

近年來無線電能傳輸技術在便攜家用電器、人體內植入器件和電動汽車等的無線供電領域得到了實際應用。隨著研究的不斷深入以及人們對于電能使用的便攜性、多樣性要求的不斷提高，無線電能傳輸技術的發展呈現出許多新特點，又將開拓出更多新的應用領域。

由于上述應用已有許多文獻敘述，因此這里重點給出無線電能傳輸技術在高速列車供電和空間太陽能電站中的應用，這是兩個非常具有挑戰性的應用領域。

4.1 高鐵列車無線供電技術

中國高鐵客運專線里程已經超過了世界所有其他國家高鐵運營里程的總和，2015年中國高鐵總里程將達到1.8萬km。

目前的高鐵列車受電是通過受電弓滑板與接觸網導線相接觸，在靜止或滑動狀態下獲取電能。

在高速運行狀態下，弓網關系受到摩擦、磨損、離線、振動、電弧和環境等多方面挑戰，各因素之間既有區別又相互聯系，它們的共同作用使弓網問題更為突出。

為解決弓網接觸供電存在的問題，提出采用無線電能傳輸技術為高速列車供電，供、受電端依靠電磁耦合傳遞電能，沒有任何直接接觸，能有效克服弓網滑動接觸供電的以上諸多缺點，應用前景廣闊。需要解決的問題是大功率無線供電單元、高速運動下供受電端之間的電動力和乘客車廂內安全電磁環境等問題。在這些方面作者的課題組已經做了許多研究工作，并取得了一些初步成果。圖2所示為高鐵列車無線供電模型，相關研究成果在2014年中國科協夏季科學展和全國科普日上展出[31]。

圖2 高速列車無線供電技術Fig.2 The technology of wireless power supply for high-speed train

2014年，韓國鐵路技術研究院開發并運行了1 MW級列車無線供電系統[32]。

無線供電有望成為高鐵列車革命性供電新模式，對促進世界高速鐵路的發展具有里程碑意義。

4.2 空間太陽能電站

空間太陽能電站(Solar Power Satellites)技術是提供大規模清潔能源重要途徑之一，是太空能源開發與利用的熱門領域[4]。

空間太陽能電站主要包括太陽能發電裝置、空間電能轉換與發射裝置、以及地面接收與電能轉換裝置，其目標是將太空中接收的太陽能轉化為電能，并傳送回地球以供人類使用，其核心技術之一就是通過無線電能傳輸技術將電能以微波或者光波的形式實現能量的傳送與接收。首先，空間中運行的太陽能電池板將獲取的電能傳送給微波發射天線系統中的大功率微波源，通過波導微波饋電系統將微波功率分布后饋入薄膜式天線。為保證發射的微波波束的指向性及準確度，每個天線單元模塊均具有相同的微波電能相位。微波發射的頻率范圍一般在2.45～6 GHz，甚至更高，這樣電磁波能量集中、能量密度高且不易散射，同時地球大氣層對于該頻段電磁波吸收作用小、幾乎透明，降低了電能傳送時的能量消耗，從而實現電能的遠距離、大容量傳送。然后，空間中的發射天線將微波波束高定向性地無線傳輸到地面接收裝置，并由整流天線陣列將微波功率轉化為直流電。直流合成模塊將對整流天線單元的直流輸出進行電能控制與管理，并最終實現電能的并網輸送。

5 結論

本文對無線電能傳輸技術的研究近況作了簡要敘述，重點給出了該技術發送與接收的新原理、空間功率密度分布及傳遞機理、近場諧振耦合傳輸方式的方向性、電源頻率與傳輸距離及功率的定量關系、傳輸空間內生物安全性、高速運動在線無線供電情況下供受電體之間的受力、先進材料的約束作用機制等七個關鍵基礎問題和系統總體技術集成、電源管理、電磁兼容以及產品標準化等四個技術瓶頸問題，供同行研究時參考，最后給出了無線電能傳輸技術的最新應用趨勢。

[1] 楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等.無接觸電能傳輸技術的研究進展[J].電工技術學報，2010，25(7)：6-13.Yang Qingxin，Chen Haiyan，Xu Guizhi，et al.Research progress in contactless power transmission technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(7)：6-13.

[2] 趙爭鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J].中國電機工程學報，2013，33(3)：1-13. Zhao Zhengming，Zhang Yiming，Chen Kainan.New progress of magnetically-coupled resonant wireless power transfer technology[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(3)：1-13.

[3] Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(5834)：83-86.

[4] Strassner B，Chang Kai.Microwave power transmission：historical milestones and system components[J].Proceedings of the IEEE，2013，101(6)：1379-1396.

[5] Sanni A，Vilches A，Toumazou C.Inductive and Ultrasonic Multi-tier interface for low-power，deeply implantable medical devices[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2012，6(4)：297-308.

[6] Dionigi M，Mongiardo M.Multi band resonators for wireless power transfer and near field magnetic communications[C].Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission：Technologies，Systems，and Applications (IMWS)，2012：61-64.

[7] Nottiani D G，Leccese F.A simple method for calculating lumped parameters of planar spiral coil for wireless energy transfer[C].11th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC)，2012：869-872.

[8] Jonah Olutola，Georgakopoulos Stavros V.Wireless power transfer in concrete via strongly coupled magnetic resonance[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(3)：1378-1384.

[9] Ricketts David S，Chabalko Matthew，Hillenius Andrew.Tri-loop impedance and frequency matching with high-Q resonators in wireless power transfer[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：341-344.

[10]美兩大學和英特爾共同試制出無線人工心臟供電系統[EB/OL].[2011-07-19].http：//news.cecb2b.com/info/20110719/19758.html.

[11]王智慧，呂瀟，孫躍，等.諧振式無線電能傳輸系統損耗模型[J].電工技術學報，2014，29(9)：17-21. Wang Zhihui，Lv Xiao，Sun Yue，et al.Modeling of power loss in resonant wireless power transfer system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：17-21.

[12]王維，黃學良，周亞龍，等.雙中繼無線電能傳輸系統建模及傳輸效率分析[J].電工技術學報，2014，29(9)：1-6. Wang Wei，Huang Xueliang，Zhou Yalong，et al.Modeling and transmission efficiency analysis of wireless power transmission system with dual relays[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：1-6.

[13]張劍韜，朱春波，陳清泉.應用于無尾家電的非接觸式無線能量傳輸技術[J].電工技術學報，2014，29(9)：33-37. Zhang Jiantao，Zhu Chunbo，Chen Qingquan.Contactless wireless energy transfer technology applied to tail-free household appliances[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：33-37.

[14]宋凱，朱春波，李陽，等.基于磁耦合諧振的自主無線充電機器人系統設計[J].電工技術學報，2014，29(9)：38-43. Song Kai，Zhu Chunbo，Li Yang，et al.Design and implementation of an autonomous wireless charging robot system using magnetically coupled resonance[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：38-43.

[15]傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報，2009，29(18)：21-26. Fu Wenzhen，Zhang Bo，Qiu Dongyuan，et al.Maximum efficiency analysis and design of self-resonance coupling coils for wireless power transmission system[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(18)：21-26.

[16]Zhang Yiming，Zhao Zhengming，Yuan Liqiang，et al.Comparison of two basic structures in magnetically-coupled resonant wireless power transfer[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(S2)：18-22.

[17]于歆杰，吳天逸，李臻.基于Metglas/PFC磁電層狀復合材料的電能無線傳輸系統[J].物理學報，2013，62(5)：535-542. Yu Xinjie，Wu Tianyi，Li Zhen.Wireless energy transfer system based on metglas/PFC magnetoelectric laminated composites[J].Acta Physica Sinica，2013，62(5)：535-542.

[18]Sun Tianjia，Xie Xiang，Wang Zhihua.Wireless Power Transfer for Medical Microsystems[M].Springer Verlag，2013.

[19]Ho S L，Wang Junhua，Fu W N，et al.A novel resonant inductive magnetic coupling wireless charger with TiO2compound interlayer[J].Journal of Applied Physics，2011，109(7)：07E502-07E502-3.

[20]Sample A P，Meyer D A，Smith J R.Analysis，experimental results and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(2)：544-554.

[21]Niu W Q，Gu W，Chu J X，et al.Coupled-mode analysis of frequency splitting phenomena in CPT systems[J].Electronics Letters，2012，48(12)：723-724.

[22]張獻，楊慶新，陳海燕，等.電磁耦合諧振式傳能系統的頻率分裂特性研究[J].中國電機工程學報，2012，32(9)：167-173. Zhang Xian，Yang Qingxin，Chen Haiyan，et al.Research on characteristics of frequency splitting in electromagnetic coupling resonant power transmission systems[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(9)：167-173.

[23]李陽，楊慶新，閆卓，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸方向性分析與驗證[J].電工技術學報，2014，29(2)：197-203. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis and validation on characteristic of orientation in wireless power transfer system via coupled magnetic resonances[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(2)：197-203.

[24]Zhong Wenxing，Lee Chi Kwan，Hui S Y R.General analysis on the use of tesla’s resonators in domino forms for wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(1)：261-270.

[25]Mayordomo I，Drager T，Spies P，et al.An overview of technical challenges and advances of inductive wireless power transmission[J].Proceedings of the IEEE，2013，101(6)：1302-1311.

[26]Ahn Dukju，Hong Songcheol.A transmitter or a receiver consisting of two strongly coupled resonators for enhanced resonant coupling in wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(3)：1193-1203.

[27]馬文華.電磁輻射標準跟蹤研究[J].電信工程技術與標準化，2007，20(1)：30-32. Ma Wenhua.Overview to electromagnetic exposure standards[J].Telecom Engineering Technics and Standardization，2007，20(1)：30-32.

[28]Christ A，Douglas M G，Roman J M，et al.Evaluation of wireless resonant power transfer systems with human electromagnetic exposure limits[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2013，55(2)：265-274.

[29]Dae Wook Kim，Yoon Do Chung，Hyoung Ku Kang，et al.Characteristics of contactless power transfer for HTS coil based on electromagnetic resonance coupling[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22(3).

[30]Wang Bingnan，Teo Koon Hoo，Nishino Tamotsu，et al.Experiments on wireless power transfer with metamaterials[J].Applied Physics Letters，2011，98(25)：254101-254101-3.

[31]一場醞釀中的電力傳輸革命——訪中國高鐵無線供電技術研發團隊[EB/OL].[2014-08-12].http：//www.scientists.com.cn/zt/639.jhtml.

[32]韓國率先成功試行無線電高鐵[EB/OL].[2014-05-12].http：//chinese.joins.com/gb/article.do?method=detail&art_id=119911&category=001003.

Key Fundamental Problems and Technical Bottlenecks of the Wireless Power Transmission Technology

YangQingxinZhangPengchengZhuLihuaXueMingZhangXianLiYang

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China)

Studies and explorations of wireless power transmission technology carried out by electrical science and technology researchers are underway like a raging fire while its applications are expanding.As researches continue and develop，however，many key fundamental problems and some bottlenecks demand prompt solutions.This paper briefly reviews the recent research status of the technology and frames seven critical fundamental problems and four technical bottlenecks.Further prospects of wireless power transmission applications are summarized at last.In addition，the high-speed train featuring wireless power transmission technology proposed by the author’s research team and the preliminary study carried out in this field are mainly introduced in this paper.

Wireless power transmission，fundamental problems，technical bottlenecks，application prospects，high-speed train

國家自然科學基金(51477117、51307120、51207106)項目資助。

2015-01-28 改稿日期2015-01-30

TM15，TM72

楊慶新 男，1961年生，教授，博導生導師，研究方向為工程電磁場與磁技術。(通信作者)

章鵬程 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術。