吳培峰，高海濤

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，蚌埠233030）

0 引言

1732 年，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林在人類歷史上第一次研究并提出了電流的概念，1831 年法拉第第一個(gè)提出了電磁感應(yīng)定律，并制作了歷史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)，自此以后電能成為了人類生活中不可或缺的一種能量。即使在今天，人類進(jìn)行電能的輸送時(shí)依然依靠導(dǎo)體介質(zhì)，或者說(shuō)利用導(dǎo)線進(jìn)行傳輸，而在某些情況下導(dǎo)線等介質(zhì)的存在卻影響了用電器的發(fā)展，很早以前人類就開始研究使用空氣作為介質(zhì)進(jìn)行的無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。最早提出無(wú)線電能傳輸概念的人是杰出的物理學(xué)家尼古拉·特斯拉，特斯拉在1891 年成功的進(jìn)行了電力無(wú)線傳輸試驗(yàn)（如圖1）。本文主要以此為依據(jù)，分析無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)及未來(lái)趨勢(shì)。

特斯拉的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)是電磁感應(yīng)原理。系統(tǒng)利用高頻交變電流通過(guò)繞制的線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，在接收級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而為負(fù)載提供電能。這一原理與變壓器類似，只是去除了原副線圈中的磁芯而換做空氣作為介質(zhì)進(jìn)行能量的傳輸。這種輸電的方式可以克服導(dǎo)線的局限性，預(yù)計(jì)未來(lái)可以在一些導(dǎo)線布置不便的場(chǎng)合下應(yīng)用，例如在太空中不便架設(shè)輸電線路，在水下進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器的供電，以及礦井中通過(guò)去除導(dǎo)線以減少不必要的火花的產(chǎn)生等場(chǎng)景。

無(wú)線輸電系統(tǒng)在近年來(lái)受到很多研究人員的青睞，也取得了很大的發(fā)展。2007 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic 教授的團(tuán)隊(duì)利用磁耦合諧振的原理實(shí)現(xiàn)了在2 米的距離上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)亮60W 的電燈泡，該裝置在1 米時(shí)傳輸效率最高可達(dá)90%[1-2]。自2014 年以來(lái)，相關(guān)的研究報(bào)道逐漸增多。目前的無(wú)線輸電系統(tǒng)主要有傳輸效率低，傳輸距離較短，傳輸時(shí)對(duì)設(shè)備擺放位置要求較高等缺陷，如果能夠解決這些問(wèn)題，未來(lái)無(wú)線供電，無(wú)線電能傳輸?shù)那熬皩⑹值膹V闊。

1 無(wú)線輸電技術(shù)分類

1.1 基于磁耦合共振的中等距離無(wú)線輸電技術(shù)

磁耦合諧振無(wú)線充電技術(shù)在2007 年由麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出，主要利用諧振原理，當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)具有相同的固有頻率時(shí)能夠產(chǎn)生一種強(qiáng)耦合狀態(tài)，在這種狀態(tài)下傳輸損耗減小，有助于能量傳輸，通過(guò)產(chǎn)生高頻交變電流在空間中產(chǎn)生指定頻率的諧振磁場(chǎng)，可以在不受空間限制和空氣的阻礙，實(shí)現(xiàn)在接收線圈上獲得較高效率的電能傳輸[3-4]。此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)中等距離的無(wú)線電能傳輸并已有實(shí)例出現(xiàn)。

磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖如圖1，系統(tǒng)主要由交流電源、初級(jí)整流濾波電路、高頻逆變電路、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射線圈、接收線圈、次級(jí)整流濾波電路構(gòu)成。通過(guò)高頻逆變電路實(shí)現(xiàn)發(fā)射端接收端達(dá)到能夠發(fā)生諧振的指定頻率，使得能量的傳輸效率最大化。

圖1 特斯拉的無(wú)線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖

1.2 基于電磁感應(yīng)的近距離無(wú)線輸電技術(shù)

電磁感應(yīng)電能傳輸技術(shù)是一種以電磁感應(yīng)為基本原理的無(wú)線電能傳輸技術(shù)。這種設(shè)計(jì)類似于變壓器的設(shè)計(jì)，通過(guò)去除變壓器磁芯并對(duì)線圈進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)類似變壓器的松感應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)一定的技術(shù)手段提高磁場(chǎng)的頻率，減少能量損耗。但這種方式傳輸效率會(huì)在傳輸距離增大是時(shí)傳輸效率急劇降低，因此此技術(shù)一般只用于厘米級(jí)一下的較短距離無(wú)線能量傳輸，傳統(tǒng)的頻射識(shí)別（RFID）技術(shù)及目前的移動(dòng)設(shè)備無(wú)線充電技術(shù)大多采用這種技術(shù)。

電磁感應(yīng)無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖如下，系統(tǒng)主要由交流電源、初級(jí)整流濾波電路、DC-DC 變換電路，高頻逆變電路，發(fā)射線圈，接收線圈，次級(jí)整流濾波電路構(gòu)成。通過(guò)對(duì)輸入交流電進(jìn)行整流濾波送至高頻逆變電路，經(jīng)高頻逆變電路產(chǎn)生高頻交流電后送至發(fā)射端線圈產(chǎn)生不斷變化的磁通量，從而產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。通過(guò)減小初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的距離從而提高無(wú)線充電效率[5]。此種技術(shù)目前已經(jīng)在移動(dòng)通信領(lǐng)域應(yīng)用于手機(jī)的無(wú)線充電器中。

圖3 電磁感應(yīng)無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖

1.3 基于微波的遠(yuǎn)距離無(wú)線輸電技術(shù)

微波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，利用微波源將輸入直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻射信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后經(jīng)天線發(fā)送至空間，接收端通過(guò)接收天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，經(jīng)接收端整流濾波電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并輸送至負(fù)載端[6]。由于微波在空間中散射損耗強(qiáng)，因此微波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)功率較低，但傳輸距離較遠(yuǎn)。實(shí)際中通常選用2.45GHz 和5.8GHz 兩個(gè)大氣微波窗口中以減小微波穿過(guò)大氣時(shí)的衰減。配合發(fā)射端較大口徑功率密度的反射面天線可以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)備如體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備等的能量傳輸。未來(lái)如果能夠設(shè)計(jì)出大體積高功率微波能量傳輸設(shè)備或?qū)⒂糜谔罩行l(wèi)星，空間站等之間的能量傳輸。

微波無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，系統(tǒng)由微波信號(hào)源，功率放大器，微波發(fā)射天線，微波接收天線和微波整流電路等構(gòu)成。通過(guò)改進(jìn)高性能全固態(tài)微波源，能夠進(jìn)一步提高整機(jī)效率，同時(shí)改善微波發(fā)射和接收天線的增益，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高傳輸效率，目前微波無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用較少。但微波無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)也是目前太空空間實(shí)驗(yàn)中前景最好的一種能量傳輸系統(tǒng)[6]。

圖4 微波無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用分析

2.1 發(fā)展趨勢(shì)分析

目前國(guó)內(nèi)外無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域，傳輸方式方面基本已經(jīng)形成固定模式，主要分為磁耦合諧振傳輸、電磁感應(yīng)傳輸和微波傳輸三種主要技術(shù)，近年來(lái)，在無(wú)線輸電領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外取得的新成就主要有傳能線圈結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加中繼線圈及傳輸效率的影響，應(yīng)用新材料改善磁場(chǎng)的分布，拓展應(yīng)用方式等研究方向。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研究也逐漸增多，專利數(shù)量逐年增加。目前中國(guó)空間技術(shù)研究院也在開展有關(guān)微波和飛秒激光的無(wú)線輸電技術(shù)的原理和應(yīng)用相關(guān)研究。

2.2 無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用分析

（1）移動(dòng)通信設(shè)備

近年來(lái)移動(dòng)通信設(shè)備的無(wú)線充電設(shè)備的研究和應(yīng)用不斷深入，目前已有多家公司在其旗艦手機(jī)中應(yīng)用了無(wú)線充電技術(shù)。例如蘋果公司的iPhone XS 智能手機(jī)。目前手機(jī)的無(wú)線充電技術(shù)距離在1CM 以下傳輸功率最高可達(dá)18W，可以實(shí)現(xiàn)快速充電。并且在相關(guān)方面已經(jīng)形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“Qi 標(biāo)準(zhǔn)”。

（2）新能源汽車

新能源汽車目前是政府大力扶持的節(jié)能項(xiàng)目之一，目前在新能源汽車中的無(wú)線充電技術(shù)也以投入應(yīng)用，如著名的電動(dòng)汽車品牌特斯拉最新的電動(dòng)汽車便支持無(wú)線充電技術(shù)，國(guó)內(nèi)廠商比亞迪在其新能源公交車中應(yīng)用了可以自動(dòng)偵測(cè)發(fā)射線圈位置自動(dòng)準(zhǔn)確停靠進(jìn)行充電的無(wú)線充電系統(tǒng)。

（3）新型醫(yī)療器械

目前醫(yī)療方面有基于電磁感應(yīng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用。常用于一些植入式醫(yī)療裝置和體內(nèi)檢測(cè)裝置的供電。此類裝置不僅取消了物理的連接，也使得這些醫(yī)療設(shè)備減少了更換電池的頻率，降低了患者的痛苦，同時(shí)還可以兼顧器械的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

（4）智能家居

近年來(lái)智能家居設(shè)備蓬勃的發(fā)展，智能家居設(shè)備的數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而眾多的設(shè)備的供電線路增加了家庭環(huán)境的壓力，破壞了美觀性。而無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用可以極大地緩解此類問(wèn)題，海爾公司就曾在2010 年發(fā)布無(wú)尾電視，去除了連接線的阻礙。目前這方面研究的前沿是設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的發(fā)射端設(shè)備為多個(gè)家居設(shè)備供電。

（5）水下、礦井內(nèi)供電

在礦井中使用無(wú)線電能傳輸可以避免因?qū)Ь€間隙而產(chǎn)生的電火花而造成的安全隱患。在水下作業(yè)和礦井中作業(yè)時(shí)采用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)還可以減少導(dǎo)線的束縛，增加設(shè)備的移動(dòng)性。目前這方面的研究在積極開展中。如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)田子建教授在無(wú)線電能傳輸在煤炭礦井中的應(yīng)用的相關(guān)研究[7]。

（6）空間領(lǐng)域

在空間領(lǐng)域的無(wú)線電能傳輸方面的遠(yuǎn)期應(yīng)用目標(biāo)有空間太陽(yáng)能電站的建設(shè)，在空間建設(shè)太陽(yáng)能電站能夠顯著提高能量收集效率但卻面臨著難以傳送至地球上的問(wèn)題，同時(shí)目前國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)也在積極研究關(guān)于臨近空間飛行器電力供給微波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展[8-9]。

3 無(wú)線輸電系統(tǒng)的亟待解決的問(wèn)題

3.1 能量傳輸效率低

無(wú)線輸電系統(tǒng)目前無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙便是傳輸效率低，例如2007 年Marin Soljacic 教授的實(shí)驗(yàn)中當(dāng)傳輸距離達(dá)到2.1 米時(shí)傳輸效率會(huì)急劇降低到40%。一般情況下隨著傳輸距離的增大，無(wú)線輸電系統(tǒng)的效率會(huì)急劇降低。如何提高無(wú)線輸電系統(tǒng)的效率是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

3.2 中短距離傳輸系統(tǒng)中繼技術(shù)的研究

對(duì)于雙諧振線圈的磁耦合諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)有一個(gè)最佳的工作距離，一旦超出最佳距離后，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)急劇降低。而中繼線圈的加入可以在一定程度上提高系統(tǒng)傳輸效率。中繼線圈可以減少因傳輸距離增大而導(dǎo)致的耦合強(qiáng)度降低的問(wèn)題[10]。

3.3 多接收端傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中多負(fù)載的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)更有應(yīng)用前景。如何將一個(gè)負(fù)載線圈接收系統(tǒng)推廣至多個(gè)接收端，以及接收端線圈的排布（同側(cè)、異側(cè)等），多接收端系統(tǒng)的傳輸效率問(wèn)題和諧振系統(tǒng)間的耦合參數(shù)問(wèn)題等都是目前研究的難點(diǎn)[11]。

3.4 電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響

由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要依靠高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行能量的交換和傳輸，無(wú)論是磁耦合諧振還是微波無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)都可能會(huì)導(dǎo)致人體暴露在電磁環(huán)境中，例如我國(guó)環(huán)?？偩诸C布的《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中對(duì)于公眾暴露環(huán)境中要求24 小時(shí)內(nèi)全身平均SAR（比吸收率）不大于0.02W/kg。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能否保證在對(duì)人體安全的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸是一個(gè)非常重要的問(wèn)題[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)描述了一個(gè)無(wú)線供電的美好未來(lái)，而目前這項(xiàng)技術(shù)也在積極地發(fā)展中，無(wú)線輸電系統(tǒng)的完善也需要克服眾多的障礙。本文分別分析了目前比較成熟的三種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，并對(duì)目前存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了無(wú)線輸電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。相信在不久的將來(lái)，無(wú)線輸電系統(tǒng)將走進(jìn)我們的生活，徹底改變未來(lái)電能傳輸?shù)姆绞?，開展電能應(yīng)用的新時(shí)代。