戴衛(wèi)力 費(fèi)峻濤 肖建康 范新南

（河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息學(xué)院（常州），江蘇 常州 213022）

1 引言

21世紀(jì)，人類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(xiàn)有能源，已引起了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。新型的電能存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)，如飛輪電池、超級(jí)電容和無線電能傳輸[1-3]技術(shù)（WPT）等是實(shí)現(xiàn)能源高效利用的重要途徑。WPT在電動(dòng)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(shè)備等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著材料學(xué)、電力電子器件、功率變換和控制技術(shù)的發(fā)展，WPT的應(yīng)用已逐步成為現(xiàn)實(shí)[9-10]，受到了越來越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)的電氣設(shè)備都是通過插頭或插座等電連接器的接觸進(jìn)行供電[10]。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導(dǎo)線，很容易產(chǎn)生接觸火花，影響供電的安全和可靠性，縮短電氣設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，差的電氣接觸連接會(huì)增加接觸電阻，造成高溫引起火災(zāi)，電氣開關(guān)還會(huì)引起拉弧的危險(xiǎn)[10]。在礦井、油田鉆采等場(chǎng)合，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線直接接觸供電容易因接觸摩擦而產(chǎn)生微小電火花，進(jìn)而引起爆炸，造成重大事故。在水下，導(dǎo)線直接接觸供電還會(huì)存在電擊的潛在危險(xiǎn)。而給運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)，一般都采用滑動(dòng)接觸供電，但這種供電方式存在滑動(dòng)磨損、接觸火花、積碳和不安全裸露導(dǎo)線等缺點(diǎn)[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(dǎo)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(shù)

早在100多年前就有人提出了無線電能傳輸?shù)膫ゴ髽?gòu)想。物理學(xué)家Herz于1888年利用高頻微波能量和定向技術(shù)演示了500MHz脈沖能量的產(chǎn)生和傳輸，但由于當(dāng)時(shí)缺乏能將微波能轉(zhuǎn)變成直流電的裝置而未能實(shí)現(xiàn)。兩年后，物理學(xué)家Tesla設(shè)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(shí)現(xiàn)能量的傳輸。由于當(dāng)時(shí)財(cái)力不足，Tesla的偉大構(gòu)想并沒有實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代功率變換技術(shù)、控制理論、磁性材料的發(fā)展，以及特殊場(chǎng)合下電能傳輸需求的增長(zhǎng)，WPT的技術(shù)實(shí)現(xiàn)成為可能。就目前技術(shù)水平而言，實(shí)現(xiàn)WPT的技術(shù)方案主要包括非接觸式電磁感應(yīng)耦合（ICPT）、射頻（RF）、微波以及電磁共振[9-10]。

2.1 電磁感應(yīng)電能傳輸技術(shù)

ICPT主要以磁場(chǎng)為媒介，利用變壓器耦合，以實(shí)現(xiàn)無電氣連接的能量傳輸。ICPT的傳輸功率大，能達(dá)幾百kW；而傳輸距離較短，約為1cm以下。

當(dāng)變壓器松耦合時(shí)，在高頻交流激勵(lì)下，變壓器的原、副邊存在很強(qiáng)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(yùn)用PWM控制將低頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻，便于能量傳輸；②可分離變壓器，實(shí)現(xiàn)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(fù)載使用。

圖1給出了兩種不同電路拓?fù)涞腎CPT系統(tǒng)。其中，圖（a）為全橋拓?fù)?，反饋控制并不采用?dǎo)線連接，而是依靠無線傳感器檢測(cè)出輸出極的負(fù)載電壓和電流，將其反饋給發(fā)射極以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；圖（b）采用了半橋拓?fù)?，在控制上原、副邊各自有?dú)立的調(diào)節(jié)器，使發(fā)射極和接收極能進(jìn)行獨(dú)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(shí)現(xiàn)大氣隙下能量高效傳輸?shù)年P(guān)鍵是要研制出耦合系數(shù)高，漏感小的可分離變壓器。圖2給出了新西蘭奧克蘭大學(xué)在電動(dòng)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(dǎo)電性強(qiáng)、損耗較小的利滋線繞制而成，氣隙為10mm。

圖2 電動(dòng)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(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管上會(huì)引起很大的電壓尖峰，且大部分能量會(huì)損耗在漏感上。因此，需給變壓器的原、副邊加補(bǔ)償電路。文獻(xiàn)[9]給出了多種補(bǔ)償方式（見圖 3），并就補(bǔ)償電路的諧振頻率進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]、[20]指出：要實(shí)現(xiàn)能量傳輸，減小變壓器體積，就必須提高工作頻率。而高頻會(huì)使開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力增加，因此還需采用軟開關(guān)技術(shù)。

圖3 補(bǔ)償電路類型

20世紀(jì) 90年代初，新西蘭奧克蘭大學(xué)功率電子學(xué)研究中心的 Boys教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組率先對(duì)ICPT技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，先后獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利，并將該項(xiàng)技術(shù)成功推往美國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)等地。

2.2 射頻電能傳輸技術(shù)

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

RFPT傳輸距離較遠(yuǎn)，能達(dá)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(jī)時(shí)損耗的功率。如果將電能發(fā)射器裝在室內(nèi)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(jìn)行充電。RFPT技術(shù)在醫(yī)療電子行業(yè)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。

在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)生的耦合電磁波經(jīng)穿透人體后，通過諧振回路將電磁波轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)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(shù)，可以避免人體受感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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(shù)

微波電能傳輸（Microwave Power Transmission，MPT）是將電能轉(zhuǎn)化為微波，讓微波經(jīng)自由空間傳送到目標(biāo)位置，再經(jīng)整流，轉(zhuǎn)化成直流電能，提供給負(fù)載。

1968年，美國(guó)工程師P Glaser首先提出了一種使用MPT技術(shù)的太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星，其基本構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星基地，利用取之不盡的太陽(yáng)能來進(jìn)行發(fā)電，然后通過微波將電能傳輸?shù)降孛娴慕邮昭b置，再將所接收的微波轉(zhuǎn)變成電能供人類使用。這種構(gòu)想的最大優(yōu)點(diǎn)在于充分利用太陽(yáng)發(fā)出的能量，整個(gè)過程是個(gè)太陽(yáng)能、電能、微波、電能的能量轉(zhuǎn)變過程。2003年，科學(xué)家在非洲成功完成了MPT實(shí)驗(yàn)，使得整個(gè)村莊實(shí)現(xiàn)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(shù)受地形及環(huán)境影響較大，真正得以應(yīng)用還尚有距離。

MPT技術(shù)適合應(yīng)用于大范圍、長(zhǎng)距離、且不易受環(huán)境影響的電能傳輸場(chǎng)合，主要有空間太陽(yáng)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(shù)在對(duì)植入式遙測(cè)裝置進(jìn)行能量傳輸時(shí)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的傷害，因而微波傳輸技術(shù)是不適合用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的能量傳輸。

2.4 電磁諧振電能傳輸技術(shù)

電磁諧振型電能傳輸技術(shù)（Electro-magnetic Resonant Power Transmission，ERPT）主要是利用接收天線固有頻率與發(fā)射場(chǎng)電磁頻率相一致時(shí)引起電磁共振，發(fā)生強(qiáng)電磁耦合的工作原理來實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。2006年，麻省理工學(xué)院Soljacic助理教授帶領(lǐng)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(diǎn)亮。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)收發(fā)雙方相隔2m時(shí)，傳輸60W功率的輻射損失僅為5W。因此，在幾米內(nèi)的中程距離傳輸電能是可行的。采用ERPT技術(shù)，電能傳輸距離可以達(dá)3～4m，傳輸功率可高達(dá)幾kW。

在強(qiáng)耦合環(huán)境中使用自諧振線圈，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非輻射功率傳輸，其傳輸距離能達(dá)到8倍的線圈半徑。在2m多的距離內(nèi)，能傳輸60W左右的功率，效率超過40%。我們建立了個(gè)有效的模型來描述這種電能傳輸，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)。最后討論了這種系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)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(yīng)用方面還有許多的困難：如果輻射發(fā)散的話，傳輸?shù)墓β屎艿汀蓚€(gè)具有相同頻率的諧振物體能很有效的交換能量。本文要關(guān)注的是特殊的物理現(xiàn)象：磁諧振，在MHz頻率下的磁諧振感應(yīng)。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?shù)年P(guān)鍵是當(dāng)κ2/ΓSΓD＞1，這就是通常所指的強(qiáng)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?shù)闹饕獞?yīng)用領(lǐng)域及前景

目前WPT技術(shù)還大多處在研究階段，有產(chǎn)品應(yīng)用的主要是ICPT和RFPT技術(shù)。ICPT技術(shù)主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車、機(jī)車的充電軌道、礦井和水下探測(cè)。而RFPT則主要應(yīng)用于醫(yī)療器械和便攜式電子產(chǎn)品。隨著MPT和ERPT技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展：照明、太陽(yáng)能電站以及航空航天系統(tǒng)等都將成為無線電能傳輸?shù)男骂I(lǐng)域。以下就WPT最受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討。

3.1 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域采用的是 ICPT技術(shù)，主要應(yīng)用于軌道機(jī)車和電動(dòng)汽車的充電裝置中。美國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)將電動(dòng)汽車的感應(yīng)式充電系統(tǒng)按功率分為 3類：①用于應(yīng)急的小功率充電器，功率等級(jí)為1～3kW；②中等功率充電器，功率等級(jí)為5～25kW，完成充電需 4～8h；③快速充電器/柜，功率等級(jí)為75～300kW。

挪威的Parkon公司正在研發(fā)基于ICPT技術(shù)的專用充電裝置。該裝置通過線性光學(xué)定位系統(tǒng)，引導(dǎo)駕駛員將車身上的充電插座對(duì)準(zhǔn)固定的充電器插頭，利用汽車自身的動(dòng)力，將充電器的插頭和插座牢牢地連接起來。ICPT技術(shù)的難點(diǎn)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(xué)所屬奇思公司已將ICPT技術(shù)成功應(yīng)用于Rotorua國(guó)家地?zé)峁珗@的30kW旅客電動(dòng)運(yùn)輸車[13-16]。20世紀(jì)90年代后期，日本、德國(guó)等國(guó)家也開始從事 ICPT的研究和實(shí)用化產(chǎn)品開發(fā)，獲得了一定的技術(shù)突破和相應(yīng)的實(shí)用產(chǎn)品，如日本大阪富庫(kù)公司的單軌型車和無電瓶運(yùn)貨車、德國(guó)奧姆富爾（Wampeler） 公司的150 kW載人電動(dòng)火車，軌道長(zhǎng)度達(dá)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(shù)用于電動(dòng)游船的水下驅(qū)動(dòng)裝置[13，21]。美國(guó)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(dòng)汽車ICPT系統(tǒng)之一，現(xiàn)正由Delco生產(chǎn)和銷售，專用于GM的EV1型電動(dòng)汽車充電。1995年1月，美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)根據(jù)Magne-charge TM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制訂了在美國(guó)使用 ICPT技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電的條例——SAE J-1773[22，29]。

3.2 醫(yī)療器械領(lǐng)域

WPT技術(shù)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(jìn)行體外能量傳輸。

在醫(yī)療電子系統(tǒng)中，主要采取RFPT技術(shù)，通過體外與體內(nèi)兩個(gè)線圈之間的電磁耦合輸送電能，主要有經(jīng)皮能量傳輸和直接能量傳輸。Fernhndez等人設(shè)計(jì)了一種用于耳蝸植入裝置的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，采用E類發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)射頻線圈，最高效率可達(dá)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(fù)載，最后可得到5V直流電壓。

隨著植入式系統(tǒng)的復(fù)雜化，系統(tǒng)的功耗越來越大，對(duì)于短期植入式系統(tǒng)，電池完全可以勝任（如膠囊內(nèi)窺鏡），但對(duì)于長(zhǎng)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?；贓類放大器的電磁感應(yīng)供電效率可達(dá)到70%左右，還可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但RFPT技術(shù)容易受其他電子設(shè)備發(fā)生干擾。不同的供電方式之間也可結(jié)合使用，如日本柴建次和越地耕二將射頻經(jīng)皮能量傳輸與可充電電池結(jié)合，為人工心臟提供能量。

3.3 便攜通信領(lǐng)域

近年來，WPT在便攜通信領(lǐng)域也日漸風(fēng)靡。并已有不少高科技公司涉及這一領(lǐng)域，如美國(guó) 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(chǔ)存裝置是以美國(guó)匹茲堡大學(xué)研發(fā)的無源型RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，通過射頻發(fā)射裝置傳遞電能。而Splash Power公司則以ICPT技術(shù)為突破，開發(fā)了手機(jī)充電平臺(tái)。香港城市大學(xué)的許樹源教授也通過深入研究，研制出了基于ICPT的手機(jī)、MP3等便攜式通信設(shè)備充電平臺(tái)，并已開始進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。

3.4 航空航天領(lǐng)域

微波電能傳輸在航空航天和電力領(lǐng)域已開始得到應(yīng)用。日本郵政省通信綜合研究所和神戶大學(xué)工學(xué)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(xué)、通產(chǎn)省機(jī)械技術(shù)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(fēng)漂移，也可準(zhǔn)確跟蹤完成送電。

MPT技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了空間太陽(yáng)能發(fā)電和衛(wèi)星技術(shù)的革新?？臻g太陽(yáng)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??？臻g太陽(yáng)能電站中的WPT技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了很多的階段，發(fā)射，反射和接收技術(shù)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(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)在MPT技術(shù)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(yán)重。在整個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)中，電流至微波的轉(zhuǎn)換效率很低，因此首先要提高微波發(fā)生器的轉(zhuǎn)換效率。

3.5 水下探測(cè)領(lǐng)域

水下探測(cè)也是WPT系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。美國(guó)Wisconsin大學(xué)在這方面率先展開了研究[30]。采取的主要技術(shù)是ICPT技術(shù)，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(xué)的研究小組對(duì)WPT系統(tǒng)在水下的額外阻抗和功率損耗，同軸變壓器的設(shè)計(jì)原則，變換器原、副邊側(cè)的電路拓?fù)湟约皞鬏旊娎|的設(shè)計(jì)均進(jìn)行了深入地研究。該課題小組研制的樣機(jī)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(guān)鍵問題。由于海水是優(yōu)良導(dǎo)體，其電阻隨著頻率的增長(zhǎng)而增加。隨著工作頻率的提高，海水導(dǎo)電面積減小，電流主要從電纜流通。海水作為導(dǎo)體損耗增加。在研究水下電能傳輸時(shí)，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(shí)，水下電能的獲取還能增強(qiáng)非核動(dòng)力船只的續(xù)航能力。

4 結(jié)論

文章探討了新的電能傳輸方式——無線電能傳輸，并按技術(shù)特點(diǎn)分別對(duì)ICPT、RFPT、MPT以及ERPT等不同電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了介紹，歸納了各自的技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵問題和應(yīng)用領(lǐng)域。

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

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