周惠媛

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510000）

1 引言

談?wù)摕o線充電技術(shù)的源頭就不得不說一下它的鼻祖磁與電，我們知道從安培開始發(fā)現(xiàn)磁場，就意味著無線充電技術(shù)發(fā)展的可能性。隨后，一些關(guān)于電磁學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)也逐步產(chǎn)生，比如：電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電磁場方程、電磁輻射、微波輻射原理等。隨著人們對無限充電需求越來越膨脹，科學(xué)家們從來沒有停止對它的探索。在距離現(xiàn)在一百八十年前，無線充電的概念首次被提出，在此之后，奧斯特、法拉第、特斯拉和馬可尼等世界著名的科學(xué)家都先后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了潛心的研究。[1]在1893年的哥倫比亞世博會上，一位美國科學(xué)家Nikola Tesla和人們展示了他的無線照明燈。這位Nikola Tesla就是利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接下就點(diǎn)亮了一個(gè)燈泡。2007年美國麻省理工的教授Matin等人隔空點(diǎn)亮了一盞功率為60W的燈，而這盞燈距離電源有2米，且效率還達(dá)到了40%，在這之后世界各地越來越多的研究人員開始了無線充電的研究。

隨著科技和社會不斷的進(jìn)步，無線充電有望為世界各地的人帶來更多方便與自由。目前無線充電主要包括了四個(gè)形式：電磁感應(yīng)方式、電場耦合方式、磁諧振方式和電波接收方式。對四種無線充電技術(shù)進(jìn)行一個(gè)對比，電磁感應(yīng)充電的有效距離太小，且充電效率太低，而磁諧振充電的距離、傳輸效率較高，所以這是無線充電技術(shù)的發(fā)展方向。[2]目前世界上受到關(guān)注最多的是磁場耦合式，使用電源側(cè)的線圈產(chǎn)生交變磁場，從而使磁場耦合到負(fù)載側(cè)的線圈上，來進(jìn)行能量的傳輸，而這其中又可以根據(jù)是否發(fā)生了諧振分為感應(yīng)式和諧振式。

本文將針對目前研究的最為熱的MCR-WPT進(jìn)行研究與進(jìn)展的綜述。從MAC-WPT的傳輸理論出發(fā)，具體說明目前國內(nèi)外針對MCR-WPT的研究現(xiàn)狀以及熱點(diǎn)問題。最后在已有的研究理論上，簡略討論了其中還待研究的問題和發(fā)展趨勢。

2 基本結(jié)構(gòu)以及原理

MAC-WPT的線圈工作模式主要有2種類型，第一種是2線圈的第二種是4線圈的。利用2個(gè)諧振線圈來進(jìn)行無線能量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，被稱為MCR-WPT的2線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，為了進(jìn)行電源的匹配和負(fù)載匹配，在文獻(xiàn)[3]中在2個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，又增加了2個(gè)感應(yīng)線圈，自此電源線圈就與發(fā)射線圈隔離，而負(fù)載線圈則與接收線圈隔開。這是MAC-WPT的四線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖如圖1所示。

電磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)電路模型借助兩個(gè)共振線圈進(jìn)行能量無線傳輸。模型如圖1a所示，圖中，輸入電壓源電壓為Uin，耦合共振線圈L1和L2，在高頻磁場下的電阻為R1和RL，產(chǎn)生的電容分別C1和C2;RL為負(fù)載。若傳輸系統(tǒng)的角頻率為ω，則初級，次級的阻抗為Z1，Z2。電磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)電路模型借助四個(gè)共振線圈進(jìn)行能量無線傳輸。模型如圖1b所示，圖中輸入電壓由Rsource和Vsource組成。耦合線圈圖L1，L2，L3和L4，其中線圈之間的耦合系數(shù)為K12，K23，K34為了方便起見接下來我們將忽略線圈之間的交叉耦合。各個(gè)線圈在磁場下的電阻為Rp1,Rp2,Rp3,Rp4。所產(chǎn)生的電容為 C1，C2，C3，C4。Rload 為負(fù)載。

圖1

為了能夠更高效地傳輸能量，發(fā)射線圈和接收線圈的自諧振頻率都設(shè)置為同一個(gè)頻率使之共振，即為系統(tǒng)的諧振頻率。文中所說的四線圈結(jié)構(gòu)相比于兩線圈結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)就在于能夠進(jìn)行電源和負(fù)載的匹配，所以可以在很大程度上抵消掉一部分電源和負(fù)載對線圈的影響。

3 無線充電的應(yīng)用

MCR-WPT技術(shù)既面臨了很多挑戰(zhàn)但又得到了廣泛和深入的研究。目前應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中的MCR-WPT，主要包括植入醫(yī)療器械如無線充電在心臟起搏器中的應(yīng)用，以及電動(dòng)汽車充電等。再比如已經(jīng)應(yīng)用到小家電領(lǐng)域的無線充電技術(shù)，如：電動(dòng)剃須刀、電動(dòng)牙刷等；還有一些便攜式電子產(chǎn)品：手機(jī)、電子書、筆記本電腦、電子手表等。

4 無線充電的發(fā)展以及還待研究的問題

無線充電技術(shù)雖然得到了一定的發(fā)展但在發(fā)展過程中仍舊存在一些棘手的技術(shù)問題。第一，充電效能不高。一旦距離稍微遠(yuǎn)了一點(diǎn)充電的效率就會急劇降低，這需要浪費(fèi)大量的時(shí)間和資源才能完成充電，故而使用意義不大。第二，充電過程中的安全問題。大功率的無線充電設(shè)備會產(chǎn)生大量的電磁輻射，對身體健康造成一定的不良影響，同時(shí)也會對飛機(jī)、通信等產(chǎn)生干擾影響。第三，實(shí)用性方面。目前的無線充電技術(shù)還是只能需要固定在某個(gè)定點(diǎn)的位置才能實(shí)現(xiàn)，這并不方便故而實(shí)用性不高。第四，價(jià)格昂貴，由于無線充電技術(shù)目前還只是處于初步研發(fā)應(yīng)用階段，研究的成本較高，所以其研發(fā)的產(chǎn)品價(jià)格也相對高昂。

5 總結(jié)

本文分析了目前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展情況。綜述了當(dāng)前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的兩種結(jié)構(gòu)以及原理和無線充電在實(shí)際應(yīng)用中遇到的一些問題等。并且在這些熱點(diǎn)問題分析的基礎(chǔ)之上，討論了該項(xiàng)技術(shù)有待研究的問題以及發(fā)展趨勢。無線充電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展是充電技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。我們終于實(shí)現(xiàn)了不需要電源線，就能隨時(shí)隨地自由方便充電的夢想?？梢钥吹剑篷詈现C振式無線電能傳輸技術(shù)正在得到深入研究。隨著市場需求的不斷擴(kuò)張，以及我們的不斷探索，相信無線充電技術(shù)將會迎來新一輪的發(fā)展與進(jìn)步，在可預(yù)見的未來，該項(xiàng)技術(shù)將會有一個(gè)廣泛的應(yīng)用，并且將帶動(dòng)更長距離、更大功率的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展。