電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)的研究綜述

蘇蒙，潘侃，李杰

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，簡稱WPT）技術(shù)是通過發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量（如電磁場能、激光、微波及機械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能的無線傳輸[1]。根據(jù)中繼能量的類型可將當前主流的WPT技術(shù)分為磁場耦合式、電場耦合式和電磁輻射式三個大類[2-3]。其中磁場耦合式又可以分為電磁感應式無線電能傳輸(Inductively Power Transmission，簡稱IPT)技術(shù)和磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Resonance Power Transmission，簡稱MRPT）技術(shù)，這兩項技術(shù)都利用的是電磁感應原理進行電能傳輸，在傳輸距離方面MRPT是優(yōu)于IPT的，但是也僅僅只是達到了數(shù)米的距離。電場耦合無線電能傳輸技術(shù)（Capacitive Power Transmission，簡稱CPT）以交變電場作為能量無線傳遞的載體，通常以原邊和副邊的多個板狀電極構(gòu)成的多個耦合電容作為能量傳輸路徑。CPT技術(shù)的優(yōu)點在于耦合機構(gòu)簡單、成本低、空載損耗低以及對周圍的金屬異物不敏感等，在特定的條件下甚至能夠?qū)崿F(xiàn)穿過金屬的無線電能傳輸。但是，CPT技術(shù)也有其局限性，例如電壓應力高、傳輸距離短等。相比較于IPT、MRPT、CPT等技術(shù)，電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)在遠距離的傳輸功率和傳輸效率上有明顯優(yōu)勢[4]。

1 電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)

當前，電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)主要有微波無線電能傳輸（Microwave Power Transmission，簡稱MWPT)技術(shù)和激光無線電能傳輸技術(shù)（Laser Power Transmission，簡稱LPT）兩類技術(shù)。

1.1 MWPT技術(shù)

MWPT技術(shù)利用電磁波中的微波來隔空進行能量傳輸，MWPT技術(shù)示意圖如圖1所示。微波功率源將直流電轉(zhuǎn)換為微波之后，由發(fā)射天線將其發(fā)送到自由空間，傳輸一段距離之后，由接收天線將其接收并通過整流電路還原為直流電能，進行后續(xù)的輸出。MWPT通過自由空間將電能直接從發(fā)射端天線傳送到接收端天線，傳輸過程中損耗相對較小，僅會在遮擋物、大氣浮塵等環(huán)境作用下產(chǎn)生少量損耗，傳輸效率較高；同時微波波束的方向和強度更易于控制，功率密度也符合國際安全標準，非常適合中遠距離的電能傳輸[5]。

圖1 MWPT技術(shù)示意圖

1.2 LPT技術(shù)

LPT技術(shù)依托激光作為能量傳輸載體，可以在中遠距離下進行無線能量傳輸，LPT技術(shù)示意圖如圖2所示。LPT技術(shù)的原理是電源為激光器供電，激光器將電能轉(zhuǎn)換成激光并由光學系統(tǒng)準直并發(fā)射，通過瞄準與追蹤系統(tǒng)獲取目標位置并進行實時跟蹤，控制發(fā)射機將激光束照射到光伏陣列上，再由光伏變換器將激光光能轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動目標動力裝置及電子設備或?qū)δ繕松系膬δ苎b置充電。LPT系統(tǒng)具有收發(fā)口徑小、靈活性高、能量密度高、方向性好以及無EMI干擾等優(yōu)勢，但是，受跟瞄精度和大氣環(huán)境等因素的影響，系統(tǒng)整體效率不高[6]。

圖2 LPT技術(shù)示意圖

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

上世紀60年代開始，國外的科學家就已經(jīng)開始研究MWPT相關(guān)技術(shù)。1964年雷神公司斯賓塞實驗室就通過MWPT技術(shù)實現(xiàn)200 W的直流傳輸功率，并最終驅(qū)動2.38 kg的直升機飛行了10小時。之后，該公司在此基礎(chǔ)上不斷研究，1975年實現(xiàn)了傳輸距離1.7 m、直流輸出功率495 W、傳輸效率54%左右的MWPT實驗。同年，美國噴氣推進實驗室在莫哈韋沙漠的金石試驗場，通過26 m口徑的拋物反射面天線實現(xiàn)了傳輸距離1.54 km，直流輸出功率30k W的MWPT實驗。日本、加拿大等國家也在WPT上進行過很多研究。在2015年，日本企業(yè)三菱重工公司通過眾多相控陣列天線進行微波無線電能傳輸實驗，第一次利用微波能對1.8 kW的電能進行無線傳輸，傳輸距離為55 m，而幾天后又將電量提升至10 kW，并成功的將約500 m外的接收裝置上安裝的LED燈點亮[7-9]。

相比較與MWPT技術(shù)，科學家對LPT的研究要晚一些。雖然，LPT技術(shù)早在1965年就被提出來，但是受限于關(guān)鍵器件的發(fā)展，LPT技術(shù)的研究進度較慢。直到21世紀，隨著高功率激光器等技術(shù)的出現(xiàn)，LPT技術(shù)的技術(shù)研究才取得了巨大進步[10-11]。

表1 21世紀國外LPT技術(shù)關(guān)鍵發(fā)展歷程

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對WMPT技術(shù)的研究起步較晚。1994年，電子科技大學林為干院士首次介紹了MWPT技術(shù)，從此國內(nèi)各高校及科研機構(gòu)的科研人員開始了對無線電能傳輸技術(shù)的深入研究。1999年，上海大學開展了一系列的相關(guān)研究，在高效整流天線陣列、微波發(fā)射裝置的優(yōu)化等方面的實驗研究取得了明顯的成果。2009年，四川大學科研組完成了國內(nèi)首個遠距離MWPT實驗。該科研組使用的是5.8 GHz的微波，實現(xiàn)了200 m的遠距離無線電能傳輸。2018年，電子科技大學設計了三級功率放大器系統(tǒng)，保障了在輸出功率大于30 W的時候，傳輸效率為30 %[12-13]。2021年1月29日，小米公司公布自己的隔空充電技術(shù)，實現(xiàn)了對智能手機的遠距離無線充電，該技術(shù)實現(xiàn)了同時對多個設備進行無線充電。

相比國外的科學研究，國內(nèi)對于LPT技術(shù)的研究較少，而且大部分還處于理論研究和初期實驗階段。2014年北京理工大學基于優(yōu)化的GaAs光伏電池搭建了傳輸距離為100 m的LPT系統(tǒng)，實現(xiàn)了9.7 W的傳輸功率，整個系統(tǒng)的傳輸效率大概為40 %。2018年，武漢大學成功實現(xiàn)了200 m范圍內(nèi)使用LPT技術(shù)為無人機供能，整個系統(tǒng)的傳輸效率大概為12%。2019年，山東航天電子技術(shù)研究所通過自行設計的無人機激光無線電能傳輸捕獲瞄準跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)在300-500 m范圍內(nèi)精準跟蹤無人機，并保持400 W的傳輸功率。

3 技術(shù)特性及未來展望

當前各項無線輸電技術(shù)在各個應用領(lǐng)域的應用情況如表2所示。

表2 不同無線輸電技術(shù)的應用領(lǐng)域?qū)Ρ?/p>

可以看出，IPT和MRPT技術(shù)無論是在技術(shù)成熟度還是應用領(lǐng)域的廣泛程度上都是要優(yōu)于MWPT和LPT的。這一方面是得益于IPT和MRPT技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)的研究投入較多；另一方面是得益于IPT和MRPT在技術(shù)實現(xiàn)難度低以及配套的硬件設備較為成熟（相比較于MWPT和LPT技術(shù)）。但是，目前IPT和MRPT技術(shù)主要還是應用在一些近距離的充電場景中（IPT主要是接觸式的無線電能傳輸，MRPT的最遠應用距離也不超過10m），這是因為IPT和MRPT技術(shù)的傳輸功率會隨著距離的增加發(fā)生指數(shù)級的衰減，一旦超過一定的距離，充電的功率就會急劇衰減至接近于0。雖然MWPT和LPT技術(shù)也存在隨著距離增加功率衰減的問題，但是，MWPT和LPT僅僅只是對數(shù)級別的衰減，在遠距離無線電能傳輸上還是有明顯優(yōu)勢的[14-17]。

表3對比了IPT、MRPT、MWPT、LPT等技術(shù)在空氣中的主要特性區(qū)別。包含以下幾項：傳輸效率，傳輸距離，Rtr——傳輸距離及接收器直徑（即接收器大小）之比，傳輸最高功率及是否具有潛在危害性[18-22]。

表3 在空氣中不同無線輸電技術(shù)的對比

目前，在遠距離無線電能傳輸方面，主流的研究方向還是MWPT和LPT技術(shù)。MWPT技術(shù)中，微波和電能的相互轉(zhuǎn)換效率尤其重要，微波發(fā)射端的定向發(fā)射能力和接收端的整流效率是提高整個系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，目前微波發(fā)射裝置的天線陣列定向輻射差，接收端整流裝置中的二極管存在能量損失等問題都亟待解決。在LPT技術(shù)中同樣存在能量轉(zhuǎn)化效率低的問題，LPT系統(tǒng)中激光發(fā)射器的功率、接收端光伏陣列的光-電轉(zhuǎn)換效率是當前制約LPT技術(shù)發(fā)展的最大障礙。對于大功率、遠距離傳送電能的微波或激光輸電來說，傳輸效率是其必須要考慮的重要因素，但是目前由于受到設備、技術(shù)以及資金等各方面的限制，傳輸效率仍然很低。巨大的能量損耗及浪費無疑與傳輸電能的初衷背道而馳，因此設法提高大功率無線輸電傳輸效率是很有前景的一個研究課題，其對于電力行業(yè)的發(fā)展以及改善目前全球面臨的資源短缺問題都有十分重要的意義。