龔立嬌 蘭永均

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400044 2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 石河子 832003）

1 引言

一直以來，人類把無線電能傳輸作為自己的夢想之一，為此付出了艱辛的努力，并取得了一定的成果。

最早產(chǎn)生無線電能傳輸設(shè)想的是Nikola Tesla，早在1890年，Tesla就做了無線電能傳輸試驗，但是最終由于財力不足等問題其構(gòu)想未能實現(xiàn)[1-2]。20世紀(jì)初期，Raytheon的W.C.Brown等人設(shè)計了一種半導(dǎo)體二極管整流天線將微波能量轉(zhuǎn)換成直流電[3-4]，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。20世紀(jì)80年代，電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)逐漸引起了學(xué)者們的關(guān)注和研究。2007年MIT的Marin Soljacic等人利用磁場的諧振方式點亮了一盞60W的燈泡[5]，成功開辟了無線電能傳輸技術(shù)的一個新方向。

迄今為止能實現(xiàn)能量無線傳輸?shù)姆绞絒1-22]主要有以下三種：電磁波輻射式、電磁感應(yīng)式、電磁共振式。

本文將對以上三種無線電能傳輸方式進(jìn)行技術(shù)分析，筆者相信這幾種技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，將有可能引起能源領(lǐng)域的一場變革。

2 基本原理及關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 電磁波輻射式

2.1.1基本原理

微波式無線電能傳輸即通過電波的形式在遠(yuǎn)場范圍內(nèi)采用定向天線實現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，該方式的發(fā)射部分將功率以微波的方式輻射出去，接收裝置將收到的微波能量通過整流設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骰蚪涣麟娔芤员阌秒娫O(shè)備利用。

2.1.2關(guān)鍵技術(shù)分析

微波式無線電能傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線和微波整流設(shè)備4部分。因此,要使微波式無線電能傳輸保持較高的效率，必須滿足以下三個條件：I大功率的微波源；II優(yōu)良的天線性能；III高效的微波整流設(shè)備。

（1）微波源

微波源是一種產(chǎn)生高頻電磁振蕩或功率放大的器件，一般工作在米波至亞毫米波范圍。微波源的輸出功率直接關(guān)系到它的應(yīng)用領(lǐng)域，通常以100MW為界，凡輸出峰值功率超過此值的源稱為高功率微波源（HPM）。

HPM裝置的組成框圖如圖1，驅(qū)動高功率微波源的是脈沖功率系統(tǒng),它把初級能源提供的能量轉(zhuǎn)變成高壓脈沖,高壓脈沖加在強(qiáng)流二極管上，產(chǎn)生強(qiáng)相對論電子束，該電子束在 HPM 發(fā)生器中與電磁場相互作用，把電子的動能轉(zhuǎn)變成微波能，最后由天線發(fā)射出去[6]。

圖1 HPM裝置的組成框圖

目前大功率微波源主要有：磁控管、放大鏈發(fā)射機(jī)、射頻放大管、固態(tài)微波放大器。

其中，磁控管和放大鏈發(fā)射機(jī)效率相似，大約為40%。兩者的區(qū)別在于放大鏈發(fā)射機(jī)是將低電平經(jīng)過多級射頻放大器后放大。射頻放大管有多種管型，其中速調(diào)管是最可靠的一種，平均功率可達(dá)25-50kW，效率大約30-40%。固態(tài)微波放大管效率最低，只有20%左右。

由上述可知，目前的HMP在功率和效率方面都還難以滿足微波式無線電能傳輸系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行的要求。

（2）高性能天線

I微波發(fā)射天線

在微波式無線電能傳輸系統(tǒng)中,微波發(fā)射天線最重要的兩個方面是：

第一，高聚焦能力。微波式無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射天線輻射口徑場的功率密度大約是通信系統(tǒng)的4倍，它的聚焦能力比普通的口徑天線強(qiáng)[7]。在微波式無線電能傳輸技術(shù)基礎(chǔ)研究中一般采用成熟的拋物面天線。

第二，微波能量的定向傳輸。在一些實際的應(yīng)用當(dāng)中，時常需要對移動的目標(biāo)輸送能量，這就需要發(fā)射天線具有隨移動目標(biāo)移動的功能。一方面，我們可以借助相控陣天線來完成；另一方面，我們可以應(yīng)用具有定向功能的回溯天線陣。具有定向功能的微波式無線電能傳輸系統(tǒng)有以下兩個優(yōu)點：①可以提高系統(tǒng)的DC-DC整體轉(zhuǎn)換效率；②可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

II微波接收天線

接收天線設(shè)計的關(guān)鍵有以下兩點：①盡可能獲得較高的增益；②便于和整流電路部分集成和匹配。其中，高增益是保證高RF-DC轉(zhuǎn)換效率的前提，而便于和整流電路集成匹配則可以降低操作的復(fù)雜程度，提高效率。微波接收天線一般都采用平面印刷天線。按照極化來分，接收天線有線極化、雙極化和圓極化。發(fā)射天線是圓極化時，雙極化天線接收的能量是單極化天線的兩倍；圓極化接收天線勿需極化對準(zhǔn)，可以接收任意線極化波和旋向相同的圓極化波[7]。

（3）微波接收整流設(shè)備

微波整流設(shè)備通常由輸入濾波器、整流二極管和輸出低通濾波器等組成。

圖2 微波整流設(shè)備組成框圖

其中，決定整流效率的關(guān)鍵因素是整流二極管的性能。二極管是一種非線性器件，在整流時會產(chǎn)生高次諧波分量。為了使這部分能量不丟失，輸入和輸出濾波器一起將高次諧波約束在它們之間，回收諧波的能量，最終也變?yōu)橹绷鬏敵鯷8]。

現(xiàn)在比較成熟的微波整流設(shè)備即為硅整流二極管天線 Rectenna[9]（Rectify antenna）。作為無線功率傳送研究的開端，目前發(fā)展出的Rectenna有916.5 MHz和2.45 GHz頻段，能夠有效的將射頻能量轉(zhuǎn)成直流電源，以供充電或變頻使用[10]。

2.2 電磁感應(yīng)式

2.2.1工作原理

工頻交流電源在整流濾波獲得直流電能之后通過高頻逆變器進(jìn)行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流注入一次側(cè)原邊線圈，一次側(cè)原邊線圈中的高頻交變電流產(chǎn)生的磁鏈Φ與二次側(cè)副邊線圈交鏈，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢通過高頻整流及直流斬波等調(diào)節(jié)電路之后即可向負(fù)載提供參數(shù)合適的直流電能[11]。

圖3 感應(yīng)式無線傳能系統(tǒng)框圖

2.2.2關(guān)鍵技術(shù)分析：

電磁感應(yīng)式無線電能傳輸主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合實現(xiàn)無線電能傳輸。此種方式采用可分離變壓器原理，對一次、二次鐵心的形狀和對齊方式要求高,需要一次、二次線圈盡量保持在對齊狀態(tài)，一旦出現(xiàn)相對位移，效率會急劇下降。

電磁感應(yīng)式系統(tǒng)主要由3部分組成：①能量發(fā)射裝置②可分離變壓器③能量接收裝置。

其中，可分離變壓器是實現(xiàn)大氣隙下能量在原、副邊線圈之間高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。而優(yōu)質(zhì)的可分離變壓器必須具備耦合系數(shù)高，漏感小等特點。

（1）耦合系數(shù)

耦合系數(shù)表示變壓器原、副邊繞組的耦合程度，與變壓器鐵芯材料、繞組的相對位置及氣隙大小有關(guān)[12]。

I變壓器的鐵芯材料。對電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)中可分離變壓器的鐵芯材料的選擇，一般有以下幾個要求：①磁導(dǎo)率要高；②電阻率要高；③飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度足夠大； ④具有很小的矯頑力狹窄的磁滯回線； ⑤居里溫度要高。一般，鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金都能滿足無線電能傳輸系統(tǒng)中變壓器鐵芯材料的要求。從性能上看，非晶合金總體性能最好，但是實際在選用時,要對成本、性能等進(jìn)行綜合考慮。

II繞組的相對位置。如圖4所示，（1）是將繞組安放在鐵芯的底部，（2）是將繞組拆分成兩半后安放在鐵芯的端部。

有實驗表明，在相同的情況下，采用圖4（2）方式的耦合系數(shù)比圖4（1）的高。因為在圖4（2）所示方式中，原、副邊繞組線圈接觸比較緊密,磁力線可以在原、副邊繞組之間垂直的通過，所以漏磁比較少，耦合系數(shù)較高。

圖4 可分離變壓器原、副邊繞組的兩種放置方式示意圖

III氣隙大小。氣隙大小對可分離變壓器耦合系數(shù)的影響非常大。在電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)變壓器氣隙大小和變化范圍選取合適的變壓器結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，使變壓器在氣隙規(guī)定變化范圍內(nèi)工作，保證耦合系數(shù)變化較小，保持較高的耦合系數(shù)，這樣有利于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和效率的提高。

（2）補(bǔ)償電路

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，開關(guān)管上會引起很大的電壓尖峰，且大部分能量會損耗在漏感上[13]。因此，需給變壓器的原、副邊加補(bǔ)償電路。圖5給出了多種補(bǔ)償電路方式。其中，原邊的補(bǔ)償電容是為了平衡原邊的漏感抗和副邊的反應(yīng)感抗，從而減小感應(yīng)電源的視在功率，提高感應(yīng)電源的功率因數(shù)。副邊的補(bǔ)償電容是為了減小副邊的無功功率，增大感應(yīng)電源的輸出功率。

圖5 補(bǔ)償電路類型

2.3 電磁共振式

2.3.1工作原理

如圖6所示，電磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要由能量發(fā)射端和能量接收端兩部分組成。能量發(fā)射端以直流作為功率輸入，經(jīng)逆變后形成高頻激勵源，使與之直接相連接的源線圈產(chǎn)生諧振，并在源線圈周圍形成交變磁場。發(fā)射線圈感應(yīng)源線圈的交變磁場，進(jìn)而與之形成共振。這樣，能量通過源線圈傳送到發(fā)射線圈，再由發(fā)射線圈傳遞出去。能量接收端包含兩個線圈，分別為接收線圈和負(fù)載線圈。接收線圈接收到發(fā)射線圈傳遞的能量后，再傳送給負(fù)載線圈。負(fù)載線圈后接能量變換電路，使高頻功率轉(zhuǎn)換成直流功率供后面的用電負(fù)載使用[14]。

圖6 共振式無線傳能系統(tǒng)框圖

2.3.2關(guān)鍵技術(shù)分析：

電磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)能量高效傳輸?shù)年P(guān)鍵是諧振線圈，而決定諧振線圈性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素是品質(zhì)因數(shù)的高低[15-16]。品質(zhì)因數(shù)Q與能量損耗成反比關(guān)系，即當(dāng)Q值越高時，能量的損耗就會變得越低，從而越有利于能量傳輸效率的提高。因此，對于電磁共振式系統(tǒng)來說，高品質(zhì)因數(shù)是保證能量高效率傳輸?shù)年P(guān)鍵。

從電路理論可知，線圈的品質(zhì)因數(shù)與線圈的諧振頻率，電感以及阻抗緊緊相關(guān)（Q=ωL/R）。所以線圈諧振器的設(shè)計也主要從以上三個方面著手，提高諧振頻率和自身電感以及減小自身內(nèi)阻。

I諧振頻率

電磁共振式無線高效傳輸是建立在系統(tǒng)諧振頻率一致的基礎(chǔ)上的。當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率偏離線圈的諧振頻率時，整個系統(tǒng)的傳輸效率會急劇的下降。因此目前對共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化和控制主要是圍繞諧振頻率來實現(xiàn)的。但是，諧振頻率較高時會受到高頻雜散電容參數(shù)的影響，線圈的穩(wěn)定性會變差。所以，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，學(xué)者們提供了兩種解決辦法：①用小的補(bǔ)償電容的方式來代替諧振線圈的等效電容[17-18]。②通過鎖相環(huán)來實現(xiàn)反饋[17]。這是一種動態(tài)跟蹤控制的方法，能不斷根據(jù)接收線圈的頻率變化調(diào)整電源側(cè)輸出頻率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)諧振頻率的實時調(diào)諧。相比較而言，鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤控制在解決共振式無線電能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題上具有較大的優(yōu)勢。

II等效電阻

系統(tǒng)損耗主要來自于內(nèi)部電阻，所以減小電阻，有利于減少系統(tǒng)有功損耗。等效電阻的組成主要有線圈電阻 RL、諧振電容等效串聯(lián)電阻 RC、驅(qū)動源內(nèi)阻RS和輻射電阻RA。

其模型如圖7所示

圖7 損耗模型

其中，線圈電阻主要受兩個因素的影響：①線圈導(dǎo)線的直徑和材質(zhì)；②趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。我們可以通過合理選擇導(dǎo)線（如利茲線、表面鍍銀線）、優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)等方法減小線圈的電阻。一般情況下，在無線電能傳輸?shù)念l段（300kHz～30MHz），輻射的功率很小[19]。

由于諧振電容的等效串聯(lián)電阻會對等效電阻的大小產(chǎn)生影響，從而影響系統(tǒng)傳輸效率，而無線能量傳輸系統(tǒng)中的諧振電容的工作狀態(tài)又較惡劣，所以諧振電容的選擇要特別注意。一般我們在選擇電容元件時需要同時滿足高頻、大電流、高耐壓、小容值、小體積和低等效串聯(lián)電阻等條件[21]。

III線圈電感

在低頻率下線圈電感表達(dá)式

其中：μ0＝4π×10-7為真空磁導(dǎo)率；r為線圈半徑；a為線圈線徑；N為線圈匝數(shù)。

線圈中的電感與線圈的尺寸形狀、線圈的匝數(shù)、各線圈的相對位置、介質(zhì)的磁導(dǎo)率和導(dǎo)線截面上的電流分布等因素有關(guān)。交變電流在導(dǎo)線截面上的分布特性取決于導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率以及導(dǎo)線中電流的頻率。因此，在交流輸入時，電流頻率變化會對線圈的電感產(chǎn)生影響。當(dāng)導(dǎo)線截面的線尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體內(nèi)電磁波的波長時，頻率變化對電感數(shù)值影響很小，從而忽略電流在導(dǎo)線截面上分布的不均勻性。由諧振頻率可知，電感的大小將直接影響諧振頻率的大小，從而影響傳輸效率的大小。

除了要研究以上幾個對系統(tǒng)傳輸效率影響較大的因素外，要想實現(xiàn)真正的應(yīng)用我們還必須對系統(tǒng)的安全性給予足夠的關(guān)注。所以我們不得不考慮電磁環(huán)境與周圍設(shè)備和生物體之間的相互影響。

總體來說，電磁環(huán)境與周圍設(shè)備和生物體的相互影響目前還處于探究階段，電磁環(huán)境對周圍設(shè)備運行及人體安全有沒有負(fù)面影響以及周圍設(shè)備和生物體對電磁系統(tǒng)能量傳輸?shù)挠绊戇€難以確定。雖然MIT根據(jù)其實驗室數(shù)據(jù)指出磁場強(qiáng)度為幾個特斯拉，與核磁共振的磁場強(qiáng)度相當(dāng)[5]，而個別文獻(xiàn)指出在該強(qiáng)度的磁場下，對人體的影響很小，但并沒有拿出權(quán)威的論據(jù)來支撐該觀點。此外，周圍設(shè)備及生物體對電磁系統(tǒng)能量傳輸?shù)挠绊懛矫娴难芯楷F(xiàn)在還比較少見，所以電磁環(huán)境問題現(xiàn)在仍然是電磁共振式無線電能傳輸技術(shù)研究的一個難點問題，也將是一個熱點問題。

3 應(yīng)用前景及發(fā)展展望

3.1 應(yīng)用前景

由于上文中提到的三種無線電能傳輸方式原理、關(guān)鍵技術(shù)和特點的不同，所以它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別。

微波式無線電能傳輸技術(shù)適合應(yīng)用于大范圍、長距離、且不易受環(huán)境影響的電能傳輸場合，主要有空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電，航空航天器供電等。

基于電磁感應(yīng)原理的無線電能傳輸技術(shù)的研究相對比較成熟，其輸送的功率最大可達(dá)到幾百千瓦，但傳輸距離很短，在1cm以下。其應(yīng)用范圍廣泛，大到電動汽車，小到醫(yī)用的微型機(jī)器人[18]。

基于電磁共振原理的無線電能傳輸技術(shù)目前尚在實驗階段，該技術(shù)采用MHz范圍的諧振頻率實現(xiàn)電能在波長范圍內(nèi)的中等距離高效率傳輸。人們期待此技術(shù)的發(fā)展可以在高速路上架設(shè)共振發(fā)射天線，向過往的汽車充電。此外，由于其傳輸距離相比較電磁感應(yīng)式更大，所以如果能在傳輸效率上有所突破的話，日后將有可能在很多領(lǐng)域取代電磁感應(yīng)式無線能量傳輸。如醫(yī)療器械領(lǐng)域，手機(jī)、MP3 等便攜式通信領(lǐng)域，深海潛水、深海油田等水下探測領(lǐng)域，煤礦、化工等存在易燃易爆物的特殊行業(yè)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.2 發(fā)展展望

本文通過詳細(xì)介紹三種主要的無線電能傳輸方式的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)分析，向讀者展示了三種無線電能傳輸方式的共性和個性。此外，筆者還通過總結(jié)分析給出了無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景。從以上兩個部分筆者發(fā)現(xiàn)無線電能傳輸技術(shù)目前尚存在許多問題：

1、微波式無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)射與接收效率不高，大氣衰減嚴(yán)重，受地形及環(huán)境影響較大。其工作頻率主要工作在 C波段（5.8～35GHz），對生物體健康有害，所以離大范圍應(yīng)用還尚有距離。

2、電磁感應(yīng)式雖然較為成熟，傳輸效率也相對較高，但是其傳輸距離太小，改進(jìn)相對比較困難，導(dǎo)致該技術(shù)在電力大距離無線傳輸?shù)膶嶋H應(yīng)用中具有很大的局限性。

3、電磁共振式的傳輸距離和傳輸功率介于上述兩者之間，可應(yīng)用的范圍較為廣泛。但是該技術(shù)目前還處于研究階段，很多問題還沒有研究清楚。理論部分仍需要科技工作者不斷完善，應(yīng)用部分現(xiàn)在也有諸多問題尚需解決，如線圈諧振器的品質(zhì)因數(shù)問題，頻率分裂問題，以及要想真正應(yīng)用到生活中要解決的多接收線圈、線圈小型化和電磁安全性問題等。

對于以上存在問題，筆者認(rèn)為：

1、對于微波式無線電能傳輸首先要提高微波發(fā)生器的轉(zhuǎn)換效率，其次是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上逐步改善天線和整流設(shè)備的性能。

2、對于電磁感應(yīng)式無線電能傳輸關(guān)鍵是要通過補(bǔ)償電路來優(yōu)化可分離變壓器，在傳輸效率較高的情況下，提高傳輸距離。

3、對于電磁共振式由于目前還處于實驗階段，存在問題較多，所以需要做的工作也較多，研究空間較大，潛力較大。首先應(yīng)該在理論上研究清楚，這方面值得科技工作者去深入研究；其次，傳輸功率、效率及距離之間的關(guān)系雖有一些學(xué)者在研究，但是結(jié)論存有差異，所以也可以做些研究。再次，可以研究一下收發(fā)線圈的多對一和一對多的問題，對于該項技術(shù)的實際應(yīng)用會有不小幫助。最后，可以研究一些新型材料的應(yīng)用對于該項技術(shù)的促進(jìn)作用，以及其在諸領(lǐng)域的實用性。

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