董 燕，余 亮，李 琳，梁 齊

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)，安徽 合肥 230009）

19世紀(jì)末著名物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不久，尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)臉?gòu)想[1]。相對(duì)傳統(tǒng)有線電能傳輸技術(shù)，無線電能傳輸實(shí)現(xiàn)了電源和用電負(fù)載間完全的電氣隔離，不僅可克服輸電導(dǎo)線帶來的空間限制、不易維護(hù)等問題，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。無線供電經(jīng)過多年的研究發(fā)展延伸出幾種不同的傳輸方式，如圖1所示。

圖1 無線電能傳輸模式分類

以上幾種無線電能傳輸模式各有優(yōu)勢(shì)和不足[3]，無線電波式傳輸距離可達(dá)千米級(jí)，但由于磁通向全方位空間輻射，其接收功率只有毫瓦級(jí)，實(shí)用性不高；超聲波式方向性強(qiáng)，能量易于集中且不受電磁干擾，但在空氣中傳播效率低；微波式可穿透云層等障礙物，傳輸距離遠(yuǎn)，且可攜帶能量高，但定向性差，傳輸效率低且易干擾通信；激光方式定向性很好，可攜帶能量高，傳輸距離遠(yuǎn)，不存在干擾通信的問題，缺點(diǎn)是易受障礙物影響，能量損失大[4]。

微型傳感器是一種尺寸從微米級(jí)到毫米級(jí)，有的甚至達(dá)到納米級(jí)的微型器件。它是一種把微型敏感元件、信號(hào)收集器件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成在一塊芯片上的綜合系統(tǒng)[5]。這種綜合系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同工作，還可以異地聯(lián)網(wǎng)（傳感器網(wǎng)絡(luò)）[6]。隨著微電子加工技術(shù)的發(fā)展，這些體積小功耗低具有很多功能的微型器件的應(yīng)用范圍將更加廣泛。但隨之而來的器件的能量供應(yīng)問題也更加有待解決。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)和微型植入式醫(yī)療設(shè)備多采用電池供電[7]。就傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，因所處環(huán)境一般為危險(xiǎn)地帶或人類不易涉足之處，這給傳感器更換電池帶來了很大的麻煩，直接廢棄則造成資源浪費(fèi)和環(huán)境的污染。而對(duì)于微型植入式醫(yī)療設(shè)備來說，通過外科手術(shù)的方式來給患者更換電池顯然不是一個(gè)好辦法。由于無線電能傳輸?shù)谋憬菪?，這使得它在給微型傳感器供電方面顯示出不同以往的價(jià)值，從而成為近幾年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前進(jìn)行商品化實(shí)用性階段應(yīng)用的無線電能技術(shù)主要為電磁感應(yīng)式和諧振耦合式。電磁感應(yīng)式是過去二十幾年來無線電能傳輸?shù)闹髁鱗8]，但因傳輸距離較短一直沒有很好的發(fā)展；諧振耦合式是2007年由美國MIT的研究小組提出并驗(yàn)證的一種不同以往的電能傳輸方式[9]，它在傳輸距離上較傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式有了大幅度的提升。

1 無線電能傳輸原理與應(yīng)用

1.1 諧振耦合式無線電能傳輸理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的感應(yīng)耦合式無線電能傳輸是利用分離變壓器原理，在原副邊之間進(jìn)行能量傳輸，缺點(diǎn)是傳輸距離一般都比較小。諧振耦合式無線電能傳輸方式是在利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈共振進(jìn)行能量傳輸，這種方式于2006年11月由MIT的Marin Soljacic教授提出并在2007年進(jìn)行了基本的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]。相較傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)模式，該模式的有效能量傳輸距離明顯提高，近年來受到了十分廣泛的關(guān)注，圖2為諧振耦合式無線電能傳輸?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 諧振耦合模式基本結(jié)構(gòu)圖

圖中發(fā)射端包括電源、交流轉(zhuǎn)直流變換器、高頻逆變電路、發(fā)射線圈；接收端包括接收線圈、整流濾波電路、直流交流變換器、負(fù)載。這種無線電能傳輸方式的工作過程為：由發(fā)射端的發(fā)射電路產(chǎn)生高頻信號(hào)供給發(fā)射線圈，線圈中的交變電流在諧振體（線圈與線圈相連的電容）周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)；當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，此時(shí)線圈之間開始能量傳遞；接收線圈后面的負(fù)載電路把接收線圈中的能量轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載工作的電壓。圖3為諧振耦合式無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐穲D。

圖3 等效電路圖

其中 R1、R2、C1、C2都為線圈在高頻下的寄生參數(shù) ，L1、L2為線圈的電感量，Rs為電源內(nèi)阻，RL為負(fù)載的電阻值，Vs為激勵(lì)電源。諧振系統(tǒng)可分為串聯(lián)諧振方式與并聯(lián)諧振方式，與電磁感應(yīng)耦合一樣，諧振耦合按電容的接入方式可分為 SS、SP、PS、PP 4種[10]。 因?yàn)?SS即串聯(lián)-串聯(lián)諧振系統(tǒng)具有普遍的適用性，本文以SS型為例分析。根據(jù)圖3中的電流方向可列KVL方程[11]：

由式（1）可算得接收端和發(fā)射端的電流分別為：

發(fā)射端與接收端的功率分別為：

能量的傳輸功率為：

當(dāng) k=km時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到耦合臨界點(diǎn)，將（7）式帶入（5）式和（6）式得到系統(tǒng)的最大輸出功率和此時(shí)的效率：

其中M為兩線圈之間的互感[12]：

μ0為真空磁導(dǎo)率，N1、N2為收發(fā)線圈的匝數(shù)，r1、r2為收發(fā)線圈的半徑，D為兩線圈之間的距離。從耦合系數(shù)k與互感M的關(guān)系可以看出k與D3成反比，即通過降低系統(tǒng)耦合系數(shù)便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離能量傳輸；從km式可看出提高兩線圈的品質(zhì)因數(shù)可以減小在最大功率點(diǎn)的耦合系數(shù)，從而在較遠(yuǎn)的距離下仍可以獲得較高的傳輸功率。諧振角頻率的公式與感應(yīng)耦合相同，參考文獻(xiàn)[9]上C用的是線圈自身的分布電容，而參考文獻(xiàn)[13]則把電容串聯(lián)在線圈外部。電容串聯(lián)在線圈外部比較有優(yōu)勢(shì)。原因是：（1）要改變外接電容的大小即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率；（2）線圈形狀改變導(dǎo)致分布電容改變不會(huì)對(duì)系統(tǒng)諧振頻率造成影響；（3）通過電容匹配使線圈固有諧振頻率與系統(tǒng)諧振頻率相同，不需發(fā)射線圈與接收線圈尺寸完全一致。

1.2 諧振耦合式無線電能傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

能量傳輸距離、輸出功率、傳輸效率是評(píng)價(jià)無線電能傳輸能力的關(guān)鍵指標(biāo)。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式無線電能傳輸相比，諧振耦合的一個(gè)很顯著的優(yōu)點(diǎn)是在傳輸距離上有了很大的提高；繼2007年MIT“隔空”點(diǎn)亮2 m外60 W燈泡后，在日本的Nillei Electronics Conference中，Witriciy公司的首席執(zhí)行官Eric Giler隔空點(diǎn)亮了一個(gè)1 000 W的強(qiáng)弧光燈，其距離相當(dāng)一個(gè)房間的大小，遠(yuǎn)大于傳輸60 W的實(shí)驗(yàn)距離，目前該技術(shù)的最大功率記錄為3 300 W，足以為一輛電動(dòng)汽車充電[14]；另外諧振耦合式的能量傳輸主要基于收發(fā)線圈的共振，因此收發(fā)線圈并不需要同軸，華盛頓大學(xué)Joshua R.Smith等人提出用自調(diào)諧技術(shù)來應(yīng)對(duì)當(dāng)傳輸距離和方位改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)共振頻率和接收效率的影響；他們的實(shí)驗(yàn)表明采用該技術(shù)后接收線圈可以任意方位移動(dòng)并仍能在0～70 cm范圍內(nèi)維持70%以上的效率[15]；再次諧振耦合式是中等距離的能量傳輸，經(jīng)過適當(dāng)開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)電器的無線供電，這將給人們的生活帶來極大的便捷；諧振耦合式能量傳輸是不受非磁性障礙物的影響，這使得這種無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用范圍更加廣闊。

1.3 諧振耦合式無線能量傳輸在微型傳感器上的應(yīng)用

微型傳感器按照被測(cè)量物的性質(zhì)可分為化學(xué)微傳感器、生物微傳感器、物理微傳感器等。由于微傳感器體積小、功耗小、便于集成化，多功能化、成本低、便于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，使它成為目前最具實(shí)用性的機(jī)電器件[16]。

傳統(tǒng)的微型傳感器大多采用電池供電，受傳感器體積小的限制，自帶電池的能量十分有限，無法滿足傳感器長期工作的需求，導(dǎo)致其無法工作而報(bào)廢，這不僅降低了傳感器工作壽命，隨著微型傳感器的大量應(yīng)用，更換電池也會(huì)浪費(fèi)人力和污染環(huán)境。特別是在一些特殊場(chǎng)合，如動(dòng)物和人體內(nèi)的微傳感器、建筑中的傳感器、無人地帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)等，通過更換電池的方法來實(shí)現(xiàn)能量供給是不現(xiàn)實(shí)的。因此微傳感器的能量供應(yīng)問題極大地限制了傳感器的應(yīng)用特別是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器，能量供應(yīng)問題已經(jīng)成為微傳感器的發(fā)展瓶頸。為解決這一問題，可以從兩個(gè)方面入手：降低能耗和能量供應(yīng)。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下降低傳感器能耗以達(dá)到延長傳感器壽命的目的，但這樣做所節(jié)省下來的能量畢竟有限，不是長久之計(jì)；從能量供應(yīng)方面入手，無線電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使微傳感器的應(yīng)用更加廣泛。

圖4[17]是布置在山區(qū)無人地帶用來執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。而圖5[17]中則用對(duì)比的方法來使人們一目了然地了解無線供電的好處。

圖4 布置在山區(qū)的傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖5 植入式醫(yī)用傳感器

用無線的方式給微型傳感器供電這將使傳感器擺脫電池的束縛，而且更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。因?yàn)闊o線電能傳輸與電池相比，即使是只有1%的效率也比較劃算，因?yàn)殡姵氐某杀臼请娋W(wǎng)電能的350倍[6]。諧振耦合式無線電能傳輸是近幾年新興的一種電能傳輸方式，與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)相比，傳輸距離比較遠(yuǎn)；與電磁波相比，在它的有效磁場(chǎng)范圍內(nèi)，傳輸功率比較大，且對(duì)人體產(chǎn)生的輻射小，所以諧振耦合式是一種在中短距離范圍內(nèi)比較好的無線電能傳輸方式。

雖然諧振耦合式無線電能傳輸在給微型傳感器供電方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但大多還處于實(shí)驗(yàn)階段：MIT做了一個(gè)大線圈同時(shí)為兩個(gè)小線圈供電的裝置，研究了多接收裝置對(duì)系統(tǒng)調(diào)諧和接收效率的影響[18]。參考文獻(xiàn)[19]采用MIT的磁共振技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)頻率可調(diào)的無線能量傳輸系統(tǒng)為生物傳感器和植入式醫(yī)用傳感器進(jìn)行無線供電。MIT為小型線圈供電，如圖6所示。

圖6 MIT為小型線圈供電示意圖

[20]以生物醫(yī)學(xué)傳感器為應(yīng)用背景，采用四諧振系統(tǒng)，從電路理論角度出發(fā)，研究了諧振耦合式無線電能傳輸在小功率方面的應(yīng)用與優(yōu)化。此外，國內(nèi)中山大學(xué)研制了一個(gè)小功率無線能量傳輸系統(tǒng)，并論證了線圈采用多股線圈的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸入功率為1 W時(shí)，能點(diǎn)亮4 m外的一個(gè)發(fā)光二極管，傳輸效率在10%左右[21]?？傮w來說，對(duì)于給微傳感器進(jìn)行無線供電還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，如果能取得突破性進(jìn)展，將使微型傳感器擺脫電池的束縛，使用更加便捷，應(yīng)用更加廣泛。

2 尚待解決的問題

諧振耦合式無線電能的傳輸距離還有待提高；無線電能不論是在給便捷電子產(chǎn)品充電還是給微型傳感器供電時(shí)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如不同廠家不同產(chǎn)品的收發(fā)線圈標(biāo)準(zhǔn)等；對(duì)人體的影響，發(fā)射功率發(fā)射距離的不同，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度也不同，還沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)表明無線電能傳輸對(duì)人體完全無害。雖然東京理科大學(xué)的研究小組進(jìn)行了為人工心臟提供無線電源對(duì)人體影響的研究[22]，但在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)家庭用電的無線供應(yīng)，或在人類居住區(qū)給傳感器網(wǎng)絡(luò)供電等還沒有相關(guān)的研究結(jié)果表明這種使人長期處于一定功率電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的方式一定安全。

本文介紹了微型傳感器傳統(tǒng)的供電方式以及這種方式所帶來的弊端。提出更好的電能供給方式，即無線供電。比較了幾種無線供電方式的利弊，著重介紹了諧振耦合式這種新興無線供電方式的原理和現(xiàn)在的研究進(jìn)展，闡述了這種無線電能傳輸方式在微型傳感器上的應(yīng)用范圍與優(yōu)勢(shì)，最后提出了尚待解決的問題。

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