黃學(xué)良 譚林林 陳 中 強(qiáng) 浩 周亞龍 王 維 曹偉杰

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096）

1 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的電力輸送采用有線的方式實(shí)現(xiàn)（即利用電纜線作為傳輸媒介），因此在電力的傳輸過程中不可避免的會產(chǎn)生傳輸損耗，同時(shí)線路老化、尖端放電等因素也易導(dǎo)致電火花，大大降低了設(shè)備供電的可靠性和安全性[1,2]，縮短設(shè)備的使用壽命。一方面在礦場、海底等一些特殊場合，傳統(tǒng)的電纜線供電方式所產(chǎn)生這些缺點(diǎn)往往有時(shí)將是致命的，嚴(yán)重時(shí)會引起爆炸、火災(zāi)及設(shè)備的損壞等，帶來了極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，另一方面生活中大量的電器供電勢必會導(dǎo)致多種電源線的交叉給人們生活帶來的極大的不便。

人類從剛開始利用電能時(shí)就期待著一種能實(shí)現(xiàn)將電力能量無線輸送的方式。早在19世紀(jì)中后期，無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology）就被著名的電氣工程師尼古拉·特斯拉提出[3]，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，受早期技術(shù)、財(cái)力等因素的限制，該技術(shù)僅僅局限于構(gòu)想階段，但同樣為后來無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展繪制了美好的藍(lán)圖和奠定了一定的研究基礎(chǔ)。隨后伴隨著電磁波理論的發(fā)展，古博（Goubau）等人從理論上推算了自由空間波束導(dǎo)波傳輸能量的可行性，并做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究。到 20世紀(jì)初期，日本的H. Yagi等人發(fā)明了一種可用于無線電能傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€（又稱八木-宇田天線）[4]，可將能量以微波的形式發(fā)送出去，在此基礎(chǔ)上雷聲公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）等人又做了大量的研究工作，設(shè)計(jì)了一種效率高、架構(gòu)簡單的半導(dǎo)體二極管整流天線，可將微波能量轉(zhuǎn)換成直流電[5,6]，從此微波作為無線電能傳輸?shù)囊环N重要方式被廣泛研究。到目前為止，利用微波傳輸電能已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離的功率輸送[7-9]，與此同時(shí)激光作為一種新型的無線能量傳輸方式也被用來實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離的能量傳輸[10,11]。

到20世紀(jì)80年代，以電磁感應(yīng)耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術(shù)開始被學(xué)者們關(guān)注，并逐漸應(yīng)用到電動牙刷、手機(jī)、電動汽車等產(chǎn)品的無線供電中，以此為代表的有新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯（Boys）教授為首的課題組。該課題組經(jīng)過多年努力在理論和實(shí)踐上取得了很多重大突破[12,13]，實(shí)現(xiàn)了國家地?zé)峁珗@載人游覽車的無線供電試驗(yàn)系統(tǒng)。隨后美國汽車工程協(xié)會根據(jù) Magne-chargeTM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制定了在美國使用非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行電動汽車充電的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)——SAEJ.1773[14,15]，但感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)對磁路的設(shè)計(jì)要求比較苛刻，導(dǎo)致傳輸距離較低（多在厘米范圍內(nèi)），導(dǎo)致該技術(shù)在大功率無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用中具有很大的局限性。

2007年麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)利用磁場的諧振方式，通過構(gòu)建兩個(gè)半徑為 30cm的發(fā)射和接收諧振器線圈，在1.9 m之外成功點(diǎn)亮了60W的燈泡[16]，成功開辟了無線電能傳輸技術(shù)的一個(gè)新方向，該方式不僅彌補(bǔ)了感應(yīng)式非接觸無線電能傳輸技術(shù)傳輸距離短的缺陷，將傳輸距離提高到米級范圍，同時(shí)還極大地降低了能量傳輸對環(huán)境的影響（具有較低的電磁輻射）。該技術(shù)的提出將無線電能傳輸技術(shù)推到一個(gè)新的研究高度，無論感應(yīng)方式和磁耦合諧振方式都是基于磁場來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，雖然磁耦合諧振式具有相對較低的電磁輻射問題，但在一些對磁場環(huán)境要求更為嚴(yán)格的特定場合，該兩種方式都具有應(yīng)用的局限性。因此近些年不少學(xué)者也提出了多種其他方式的無線能量傳輸方案，諸如基于超聲波和電場的無線能量傳輸方式等[17,18]，雖然能量傳輸功率方面有待提高，但在電磁環(huán)境要求較高、功率要求不大的場合具明顯的優(yōu)勢。

綜上所述，迄今為止能實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸?shù)姆绞街饕形⒉?、激光、感?yīng)耦合、磁耦合諧振、電場耦合方式等，可實(shí)現(xiàn)小功率到大功率，遠(yuǎn)距離到近距離的不同應(yīng)用場合、不同功率需求的能量傳輸，見圖1所示。

圖1 無線電能傳輸技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)方式Fig.1 Main technologies of WPT

我國在無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域的研究工作起步較晚，從本世紀(jì)初開始，國內(nèi)才逐漸開始進(jìn)行相關(guān)的研究，但主要集中在感應(yīng)式非接觸無線電能傳輸技術(shù)和磁耦諧振式無線電能傳輸技術(shù)的研究上。中國科學(xué)院電工研究所是國內(nèi)較早開展非接觸無線電能傳輸技術(shù)研究的單位之一，取得了一定的研究成果[19]。2002年，重慶大學(xué)也開始對非接觸式電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用進(jìn)行研究[20,21]，并成功研制了一套電動汽車無接觸供電系統(tǒng)。東南大學(xué)自 2006年在無線能量傳輸方面也進(jìn)行相關(guān)的研究工作，并提出了電場耦合的光電機(jī)技術(shù)，以及磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)功率調(diào)頻控制技術(shù)、電動汽車無線充放電與電網(wǎng)互動技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)[22,23]。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等[24-26]高校和科研機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究也做了大量的工作。隨著國內(nèi)無線電能傳輸技術(shù)研究的不斷升溫，2011年 10月在天津召開了國內(nèi)首次“無線電能傳輸技術(shù)”專題研討會[27]，參會專家討論了無線電能傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和存在的一些問題，并達(dá)成了“天津共識”。該次會議為無線電能技術(shù)在國內(nèi)的研究與推廣具有重要的意義。

在諸多的無線電能傳輸方式中，磁耦合諧振式能量傳輸技術(shù)由于傳輸距離遠(yuǎn)、對傳輸介質(zhì)依賴小、方向性要求不高等優(yōu)勢[16,27]，是當(dāng)前無線電能傳輸技術(shù)研究領(lǐng)域中主要的研究熱點(diǎn)。本文接下來的部分主要圍繞磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，介紹其傳輸機(jī)理和模型建立主要分析方法，探討磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)問題，并對該技術(shù)目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域及發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)

2.1 傳輸機(jī)理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是利用共振的原理，合理設(shè)置發(fā)射裝置與接收裝置的參數(shù)，使得發(fā)射線圈與接收線圈以及整個(gè)系統(tǒng)都具有相同的諧振頻率，并在該諧振頻率的電源驅(qū)動下系統(tǒng)可達(dá)到一種“電諧振”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)射端和接收端高效的傳遞。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要由電源、能量轉(zhuǎn)換與傳輸裝置（線圈諧振器），能量接收裝置三部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖2 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)Fig.2 Magnetically coupled resonant WPT system

其中線圈諧振器是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。線圈諧振器性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在能量轉(zhuǎn)換能力上，關(guān)鍵因素在是否具有高的品質(zhì)因數(shù)[28,29]。從電路理論可知，線圈的品質(zhì)因數(shù)與線圈的電感，內(nèi)阻抗以及工作頻率緊緊相關(guān)（Q=ωL/R）。所以線圈諧振器的設(shè)計(jì)也主要從以上三個(gè)方面著手，提高諧振頻率和自身電感以及減小自身內(nèi)阻。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)線圈的設(shè)計(jì)，線圈諧振頻率較高，高達(dá)幾十MHz，但受高頻雜散電容參數(shù)（線圈對地、線圈匝間、線圈間）的影響，線圈的穩(wěn)定性比較差。

如果線圈的諧振頻率是利用線圈自身的電感和高頻雜散電容所形成的線圈自諧振頻率，雖然諧振頻率高達(dá)MHz，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性很不理想，系統(tǒng)的傳輸效率對頻率的選擇性較高（如圖3所示），尤其當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率偏離線圈的諧振頻率時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率會急劇的下降。

圖3 傳輸效率隨頻率的變化Fig.3 Curve of transfer efficiency varied with frequency

為了提高能量傳輸穩(wěn)定性和可控性，學(xué)者們提出了一種折中的方法，用小的補(bǔ)償電容[30-32]的方式來代替諧振線圈的等效電容，雖然降低了線圈的自諧振頻率，卻大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

無論是利用自身參數(shù)進(jìn)行諧振頻率設(shè)計(jì)還是外接小的補(bǔ)償電容進(jìn)行頻率設(shè)計(jì)，目前在整個(gè)傳輸系統(tǒng)的模型分析上，很少針對線圈分布式參數(shù)進(jìn)行建模，大多數(shù)是通過耦合模、互感（電路）和二端口網(wǎng)絡(luò)等理論利用集中參數(shù)進(jìn)行建模[33-35]。

2.2 傳輸模型

2.2.1 耦合模理論

耦合模理論是一套微擾分析理論，可避開復(fù)雜物理模型的分析，直接對物體間的能量耦合進(jìn)行分析。對于磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)來說，發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合強(qiáng)度相對較弱，因此耦合模理論在分析系統(tǒng)具有一定的適用性。根據(jù)耦合模理論，磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)可理解為發(fā)射線圈和接收線圈組成的耦合系統(tǒng)，當(dāng)考慮電源、線圈及負(fù)載損耗時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動模式方程為[36]

式中，a1(t)、a2(t)分別為發(fā)射線圈和接收線圈的模式幅度分量；|a1(t)|2、 |a2(t)|2分別表示兩諧振線圈所存儲的能量；ω1、ω2為兩線圈的諧振角頻率，K12和K21為耦合系數(shù)（與線圈的互感、自感、諧振頻率有關(guān)）；τ為線圈的損耗系數(shù)，S(t)為激勵(lì)源。通過式（1）可求解出系統(tǒng)的諧振頻率、單個(gè)線圈的模式分量、能量，進(jìn)一步可求出傳輸效率、接收功率等。

通過式（1）不難看出，耦合模理論在分析系統(tǒng)的能量流通與轉(zhuǎn)換方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，但該方法對系統(tǒng)具體參數(shù)較少涉及，同時(shí)線圈的模式分量與耦合系數(shù)等參數(shù)較難獲得。

2.2.2 互感理論

發(fā)射線圈和接收線圈之間的電路模型如圖4所示，根據(jù)互感理論和基爾霍夫定律，列出發(fā)射線圈和接收線圈回路的電壓方程：

圖4 無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of WPT system

互感理論分析傳輸系統(tǒng)相對較為簡單，也是目前廣泛使用的方法之一，利用式（2）所示的關(guān)系，根據(jù)兩線圈回路的自諧振頻率相同并且等于電源的輸出頻率的條件，可以對系統(tǒng)進(jìn)一步求解，其關(guān)鍵是兩線圈間的互感。而互感是與線圈的匝數(shù)、半徑、間距等參數(shù)相關(guān)，尤其當(dāng)空間兩線圈分布位置不確定時(shí)，互感的求解比較復(fù)雜，目前仍未有一種精確的求解方法，多采用近似求解[14-16,22]。

2.2.3 二端口網(wǎng)絡(luò)

利用二端口網(wǎng)絡(luò)分析傳輸系統(tǒng)的模型是繼耦合模理論和互感電路理論之后又一主要研究手段，它將能量傳輸與轉(zhuǎn)換部分看成是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，其動力學(xué)方程為

根據(jù)式（3）以及各端口的參數(shù)可對系統(tǒng)進(jìn)行求解。

圖5 系統(tǒng)二端口模型[37]Fig.5 Two-port model of WPT system

3 關(guān)鍵技術(shù)及待研究的關(guān)鍵問題

3.1 高頻功率電源技術(shù)

磁耦合諧振式無線能量傳輸之所以能高效傳輸主要取決于系統(tǒng)能否工作在諧振狀態(tài)，對于一套設(shè)計(jì)好的線圈諧振器，故要求電源與諧振器之間的頻率要保持一致，如前所述諧振器一般設(shè)計(jì)為具有較好的諧振頻率，尤其在大功率能量傳輸方面要求電源不僅能夠提供足夠的驅(qū)動能力還要具有相應(yīng)的輸出頻率，因此給電源的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。目前在兆赫茲的級別下能夠?qū)崿F(xiàn)的大功率電源方式主要有振蕩式、逆變式和功率放大式。

振蕩類電源結(jié)構(gòu)較為簡單，易實(shí)現(xiàn)，常見的振蕩電路有變壓器反饋式 LC振蕩電路、電感三點(diǎn)式LC振蕩電路和電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，但缺點(diǎn)也很明顯。振蕩電路的轉(zhuǎn)換效率較低，諧振頻率與振蕩的LCR參數(shù)相關(guān)，調(diào)節(jié)起來較為困難，目前在這一方面的研究較少，MIT所實(shí)現(xiàn)的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中，采用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)[16,38]，雖然發(fā)射線圈和接收線圈的能量轉(zhuǎn)換效率很高，在1m范圍內(nèi)可達(dá)90%，但整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率卻不到20%，可見電源的轉(zhuǎn)換效率極大地影響了整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)[39]也利用該技術(shù)在距離1m處實(shí)現(xiàn)了功率1kW的輸出，但系統(tǒng)的整體效率較低。

為了實(shí)現(xiàn)電源的可控，目前多采用電力電子逆變的方式實(shí)現(xiàn)[40-42]，但受電力電子器件的限制，該類型的電源輸出頻率很難達(dá)到兆赫茲級別，一般情況下電源輸出頻率多從幾十kHz到幾千kHz不等，功率越大，頻率的提高實(shí)現(xiàn)起來越困難。

多數(shù)時(shí)候?yàn)榱藢で蟾哳l率的功率輸出，借鑒了用于射頻領(lǐng)域的電源技術(shù)，采用功率逐級放大的方式來實(shí)現(xiàn)高頻率大功率的電源設(shè)計(jì)，此類電源頻率較高可達(dá)幾兆或更高[43,41]，不足之處在于逐級放大不僅損失了效率，而且對每一級的阻抗匹配要求比較嚴(yán)格，設(shè)計(jì)起來較為困難。目前多數(shù)無線電能傳輸研究所使用的頻段為工業(yè)科研醫(yī)療允許頻段（13.56MHz）或更高的頻段，采用的電源多采用射頻功率放大的原理實(shí)現(xiàn)[45]。

3.2 諧振器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.2.1 諧振線圈設(shè)計(jì)

除了電源以外，諧振器線圈的設(shè)計(jì)也是磁耦合諧振式無線電能傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一，如前所述高品質(zhì)因數(shù)的諧振器線圈對系統(tǒng)傳輸性能的影響是至關(guān)重要的，它的參數(shù)與系統(tǒng)的傳輸效率、功率、傳輸距離等有著直接關(guān)系。

諧振器線圈自身參數(shù)的優(yōu)化主要從線圈自身的匝數(shù)、繞制方法、匝間距設(shè)計(jì)、材料選擇等方面考慮，結(jié)合系統(tǒng)的輸出性能要求對諧振器線圈進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[46,47]給出了在既定頻率下線圈的匝數(shù)選取的優(yōu)化方法，以及線圈結(jié)構(gòu)不變的情況，通過改變線圈的半徑尺寸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效率優(yōu)化。文獻(xiàn)[48]采用超導(dǎo)材料制作的諧振器線圈，研究結(jié)果表明在其他條件不變的情況下，可將MIT提出的系統(tǒng)的傳輸距離從2m提高到100m，極大地提高系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸距離。文獻(xiàn)[49]則指出將銅導(dǎo)線表面覆蓋鐵等磁性介質(zhì)，能夠增加線圈的耦合以及減小臨近效應(yīng)引起的損耗。

另外作為一種新的研究方向，采用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手材料，也被研究用于提高系統(tǒng)的傳輸性能。

3.2.2 多線圈的設(shè)計(jì)

多線圈設(shè)計(jì)指在能量的傳輸過程中，采用多于2個(gè)的線圈結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。采用多線圈設(shè)計(jì)的場合一般是在增加系統(tǒng)的傳輸效率、傳輸距離以及改變系統(tǒng)的能量傳輸方向等方面。文獻(xiàn)[16]通過采用四套線圈結(jié)構(gòu)，通過引入驅(qū)動線圈和負(fù)載線圈以降低電源側(cè)和負(fù)載側(cè)對發(fā)射和接收線圈品質(zhì)的影響，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈和線圈最大化的能量轉(zhuǎn)換。MIT的Rafif E. Hamam等人參照量子干涉現(xiàn)象的電磁感應(yīng)透明效應(yīng)[50]，提出了中繼線圈的概念，通過在發(fā)射線圈和接收線圈之間增加一個(gè)同諧振頻率的線圈（如圖6所示），可以極大地提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低空間散熱損耗，在此基礎(chǔ)上，中繼線圈作為系統(tǒng)提高的一種手段被廣泛的研究[54]。文獻(xiàn)[51,52]采用多線圈的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)一對多和多對一的傳輸結(jié)構(gòu)，即采用一個(gè)發(fā)射線圈和多個(gè)接收線圈或多個(gè)發(fā)射線圈對一個(gè)接收線圈的方式實(shí)現(xiàn)能量的傳輸（如圖7所示），都取得了較好的傳輸效果。

在能量傳輸方面，雖然磁耦合諧振式無線能量傳輸對方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，為了更好的實(shí)現(xiàn)能量的定向傳輸，多線圈設(shè)計(jì)也被應(yīng)用在改變能量傳輸路徑上[53]。通過改變不同中繼線圈的空間布局，從而達(dá)到改變能量傳輸路徑的效果。

圖6 采用中繼線圈的無線能量傳輸系統(tǒng)[54]Fig.6 WPT system based the relay coils

圖7 多電源多接收線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[55]Fig.7 Structure of multi - power and multi - receiver coils WPT system

3.3 系統(tǒng)控制策略和優(yōu)化方法

3.3.1 頻率分裂及其優(yōu)化技術(shù)

頻率分裂現(xiàn)象是磁耦合諧振式和感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)都普遍存在的現(xiàn)象[56,57]，它是由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合強(qiáng)度加強(qiáng)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)多個(gè)諧振頻率的現(xiàn)象。圖8給出了系統(tǒng)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載側(cè)接收到的功率情況，從圖8所示的結(jié)果不難看出，隨著發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離不斷加強(qiáng)（耦合強(qiáng)度增加），系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)接收功率不再出現(xiàn)在自然諧振頻率處。根據(jù)耦合模理論，一般情況下系統(tǒng)會出現(xiàn)三個(gè)諧振頻率，分別稱為自然諧振頻率、奇/偶諧振頻率[58]（極值功率對應(yīng)的頻率點(diǎn)）。這種現(xiàn)象不僅增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，而且增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

圖8 頻率分裂與傳輸功率的關(guān)系Fig.8 Relation of transfer power and frequency splitting

研究發(fā)現(xiàn)造成頻率分裂的主要原因是線圈之間的過耦合，為了解決頻率分裂目前主要從線圈的位置著手（如圖9所示）：①通過改變線圈之間的相對位置，從而減弱發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域[59]；②改變兩線圈之間的旋轉(zhuǎn)角度，在不改變線圈的空間相對位置的情況下，改變發(fā)射或接收線圈的角度，可使得系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域；③改變負(fù)載電阻的大小，當(dāng)然在很多場合負(fù)載電阻是不易改變的，所以此種方法具有一定的局限性。

圖9 改變線圈間耦合的兩種方式Fig.9 Two ways to change the coupling between the coils

3.3.2 控制策略和優(yōu)化方法

諧振頻率是影響系統(tǒng)傳輸效率的一個(gè)主要因素，因此目前關(guān)于諧振式無線電能傳輸?shù)膬?yōu)化和控制大多是圍繞諧振頻率來實(shí)現(xiàn)的。前面也提到諧振器線圈的高品質(zhì)因數(shù)，往往導(dǎo)致系統(tǒng)在工作時(shí)穩(wěn)定性較差，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[60]提出了一種動態(tài)跟蹤控制的方法，通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)反饋，不斷根據(jù)接收線圈的頻率變化調(diào)整電源側(cè)輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)諧振頻率的實(shí)時(shí)調(diào)諧。鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤控制在解決諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題上具有很大的優(yōu)勢。根據(jù)諧振頻率與傳輸效率之間的關(guān)系，文獻(xiàn)[61]提出了一種基于頻率分段的效率控制方法，通過在不同傳輸距離段采用不同的諧振頻率，來實(shí)現(xiàn)傳輸效率的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[62]利用相控電感來實(shí)現(xiàn)諧振頻率調(diào)節(jié)，從而達(dá)到傳輸效率穩(wěn)定控制的目的。

3.4 電磁環(huán)境及其對生物體的影響

電磁環(huán)境問題不僅是諧振無線電能傳輸技術(shù)研究一個(gè)熱點(diǎn)問題，還是一個(gè)難點(diǎn)問題，根據(jù)MIT提出的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，磁場強(qiáng)度為幾個(gè)特斯拉，與核磁共振的磁場強(qiáng)度相當(dāng)[16]。文獻(xiàn)[63]進(jìn)一步研究指出由于人體具有很大的磁導(dǎo)率，在該強(qiáng)度的磁場下，對人體的影響是很小。關(guān)于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的電磁環(huán)境問題的研究尚處于起步階段，雖然有部分關(guān)于電磁磁路和電磁兼容性的研究，但總體上仍處于探索階段。

4 熱點(diǎn)研究領(lǐng)域及發(fā)展趨勢

4.1 電動汽車領(lǐng)域

將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到電動汽車的無線充放電中，不僅可以解決各類充電樁的建設(shè)問題，同時(shí)還可以分散電動汽車充電的集中程度，還可以一定程度上緩解電動汽車規(guī)?；浞烹妼﹄娋W(wǎng)的沖擊。

目前關(guān)于電動汽車的無線供電技術(shù)國內(nèi)外各大汽車廠商以及科研機(jī)構(gòu)等都在積極的開展研究，并取得了顯著的成果[64,65]。電動汽車無線充電已成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。

另外，電動汽車作為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，規(guī)?；碾妱悠囘€可作為電網(wǎng)的儲能設(shè)備。無線充電技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高電動汽車電網(wǎng)間的互動能力，對智能電網(wǎng)的積極作用更顯著。具體優(yōu)勢表現(xiàn)為：

（1）可更好地抑制可再生能源的輸出波動。無線充放電的電動汽車具有更強(qiáng)的與電網(wǎng)的互動能力，通過雙方的智能互動系統(tǒng)，自動控制電動汽車的合理充放電，從而達(dá)到抑制可再生能源輸出波動，提高可再生能源的消納。

（2）可更好地減少對電網(wǎng)沖擊影響。相對于有線充電方式，無線充電方式充電地點(diǎn)更為分散，有利于電動汽車充電的聚集度；由于不存在于電網(wǎng)的物理連接，無線充電方式更為靈活、安全，能分散連續(xù)充電時(shí)間，同時(shí)也大大減少快速充電的可能性。無線充電方式能有效減輕電動汽車充電對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。

（3）可更好地發(fā)揮削峰填谷作用。無線充放電技術(shù)可以通過用戶意愿設(shè)定和電網(wǎng)智能調(diào)度，隨時(shí)隨地在停車位/停車場/移動途中完成與電網(wǎng)互動，執(zhí)行充放電操作，完成蓄能/釋能過程。電動汽車作為移動儲能工具，能更好地發(fā)揮削峰填谷的作用，平衡負(fù)荷，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，有效節(jié)約能源。

（4）減低對電池容量的要求。電動汽車電池是限制電動汽車發(fā)展的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)電動汽車行駛15萬km，電池就面臨失效問題，用戶只能更換新電池。而無線充電方式相對可以減小對電池容量的要求，減低更換新電池的成本。例如 2010年3月9日在韓國首都首爾南部一座游樂園內(nèi)首次使用的一款無線充電的公交汽車系統(tǒng)，所使用的電池體積只是傳統(tǒng)電動車電池的五分之一，而且不需要長時(shí)間充電；2011年歐洲進(jìn)行了利用公交車進(jìn)站停站時(shí)間進(jìn)行無線充電的實(shí)驗(yàn)，公交車的電池容量從 145kW·h降到 45kW·h。

4.2 智能家居

智能家居近些年逐漸被人們所關(guān)注，其中智能家電的供電中無線電能傳輸技術(shù)具有突出的優(yōu)勢，為擺脫傳統(tǒng)充電線纜的限制，最大化體現(xiàn)便捷、人性化，“無尾”家電設(shè)備逐漸被提出。諸如 “免電池”無線鼠標(biāo)以及手機(jī)、筆記本電腦無線充電終端

等[66,67]。

4.3 醫(yī)療設(shè)備

無線電能傳輸技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用主要集中植入式醫(yī)療設(shè)備的無線供電中，諸如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、全人工心臟、人工耳蝸和視網(wǎng)膜假體[68-70]等。植入式醫(yī)療設(shè)備一般的供電功率需求很小，在幾十微瓦到幾十瓦不等，多采用經(jīng)表皮的直接供電、植入式電池?zé)o線充電等方式。例如，加利福尼亞大學(xué)G. X. Wang等人研制的人工視網(wǎng)膜供電裝置[71]。日本東北大學(xué)小柳光教授，試制出的可從外部向植入眼球的人工視網(wǎng)膜用進(jìn)行無線供電的系統(tǒng)。英國南安普敦大學(xué)的研究成功的一款能將振動轉(zhuǎn)化為電能的“迷你發(fā)電機(jī)”，可望將來能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電。

人體植入設(shè)備的非接觸電能傳輸也是無線電能傳輸?shù)闹饕獰狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一，植入式設(shè)備采用無線供電具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 供電中沒有物理連接，避免了導(dǎo)線與皮膚的直接接觸，防止感染引起的并發(fā)癥。

（2） 解決了植入式電池電能耗盡后需手術(shù)更換的問題，提高手術(shù)后病人的生活質(zhì)量。

（3）與人體皮膚沒有直接的電氣連接，不存在裸露的導(dǎo)線和接觸機(jī)構(gòu)，消除了意外電擊的可能性，提高了設(shè)備對人體的安全等級。

（4）不存在直接的摩擦，消除了機(jī)械上的磨損和電氣腐蝕，具有高可靠性和免維護(hù)性。

（5） 由于非接觸變壓器一、二次是非緊密耦合的，系統(tǒng)在變壓器一、二次產(chǎn)生一定程度的錯(cuò)位時(shí)仍可正常工作，提高了供電時(shí)的靈活性和病人的舒適性。

4.4 工業(yè)應(yīng)用

無線電能傳輸技術(shù)隨著不斷的成熟和發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域也有非常廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)上一些特殊場合如化工設(shè)備中的檢測裝置、水下機(jī)器人、分布式傳感器的供電問題等等[72,73]，這些場合下的用電裝置一般采用換電池模式或用電纜輸電，給設(shè)備的正常使用和維護(hù)帶來了諸多的不便，而無線電能傳輸技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)成了近年來國內(nèi)外學(xué)者和公司研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。

5 存在的問題與發(fā)展趨勢

無線電能傳輸技術(shù)不是一個(gè)新的概念，但新技術(shù)和新應(yīng)用的引入逐漸使其成為一門新的研究學(xué)科。尤其無線電能傳輸技術(shù)具有傳統(tǒng)電源線供電技術(shù)所未有的獨(dú)特的優(yōu)勢，該技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)一步突破將在電動汽車、醫(yī)療、工業(yè)、電子等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。雖然近些年以磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線電能傳輸技術(shù)逐漸興起，實(shí)際上仍有很多問題亟待解決，如理論不夠完善，現(xiàn)有的分析理論雖然能夠給實(shí)際的研究提供一定理論支撐，但關(guān)于系統(tǒng)特性、參數(shù)優(yōu)化、空間電磁場分布等研究仍沒有較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇椒ā?/p>

高頻功率電源和整流技術(shù)仍未有較好的解決，現(xiàn)有的高頻電源方案普遍存在效率低下、設(shè)計(jì)復(fù)雜等弊端。系統(tǒng)的控制和優(yōu)化問題有待解決，對于高品質(zhì)因數(shù)諧振器線圈給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定性問題，也未得到有效地解決。當(dāng)然作為目前能實(shí)現(xiàn)中程距離能量傳輸?shù)臒o線實(shí)現(xiàn)方式，仍具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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