鐘睿哲，李雷遠(yuǎn)，劉 剛，任國芳，張長江，張 震，吳 娛

（北京郵電大學(xué) 世紀(jì)學(xué)院，北京 102101）

1 引言

無線電能傳輸（wireless pοwer transfer，WPT）技術(shù)具有方便、安全、靈活性高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。WPT技術(shù)近幾年來受到了國際和國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，未來具有明確的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟。

對WPT技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。如今國內(nèi)研究基本上應(yīng)用于大方向，對于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)（MCR-WPT）和無線電能傳輸技術(shù)如何提高傳輸效率和高電壓傳輸領(lǐng)域進(jìn)行了研究。國外的研究涉及各個領(lǐng)域，應(yīng)用也十分廣泛，如機(jī)器人、電動汽車、磁懸浮列車、無人機(jī)等等。論述了WPT系統(tǒng)的設(shè)計，為進(jìn)一步研究提供了有益的理論參考。

2 國外研究現(xiàn)狀

MCR-WPT是WPT系統(tǒng)中的一個重要研究領(lǐng)域，由于MCR-WPT具有適用于中距離傳輸、傳輸效率高、供電相對安全、傳輸功率大等特點(diǎn)，很快成為了WPT系統(tǒng)中的研究熱門。文獻(xiàn)[1]通過分析耦合系數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率的影響后，提出了一種雙向螺旋線圈（DTSC）的設(shè)計方法。該方法通過縮小系統(tǒng)的頻率分裂區(qū)域，達(dá)到了提高系統(tǒng)的短距離傳輸效率的目的。同時分析了雙向螺旋線圈的內(nèi)外半徑、匝數(shù)和節(jié)距對無線電能系統(tǒng)效率的影響。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了在不同角偏轉(zhuǎn)和橫向偏轉(zhuǎn)時有關(guān)于傳輸效率變化的數(shù)學(xué)公式，研究角偏轉(zhuǎn)和橫向偏轉(zhuǎn)對傳輸效率的影響，從而得到了傳輸效率隨角度失調(diào)和側(cè)向失調(diào)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]通過綜合分析徑向間隙和線圈半徑，推導(dǎo)了徑向間隙與線圈半徑之間比例的關(guān)系式，找出其對WPT效率影響的規(guī)律，并驗證了軸向距離對該比例的影響最大比值。文獻(xiàn)[4]提出具有負(fù)磁導(dǎo)率的螺旋超導(dǎo)超材料，用于利用磁耦合諧振實現(xiàn)高效的WPT。通過分析超導(dǎo)超材料對效率提高的影響，確定了超導(dǎo)超材料的最佳位置，并且驗證了超導(dǎo)超材料通過增強(qiáng)倏逝波耦合，可以顯著提高系統(tǒng)的傳輸效率，且具有較低的損耗性能。文獻(xiàn)[5]提出了一種結(jié)合超表面的可植入式MCR-WPT的設(shè)備，可以用于生物領(lǐng)域，分析了負(fù)磁導(dǎo)率超表面的性能及其對WPT效率的影響。最后，通過實驗測試驗證了與負(fù)磁導(dǎo)率超表面的MCR-WPT系統(tǒng)的高效性。

而目前有很大一部分是基于WPT傳輸效率和安全性能所做的研究。文獻(xiàn)[6]由于無線電能存在停電的問題，所以采用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化（SA-PSO）的資源分配算法，WPT的功率和傳輸時間的聯(lián)合優(yōu)化應(yīng)對電能中斷的問題。文獻(xiàn)[7]針對WPT經(jīng)常受到基站與WPT終端天線輻射方向和天線極化失準(zhǔn)的問題，提出了一種解決方法對天線進(jìn)行對準(zhǔn)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)有效非對稱電感環(huán)（IL）的初級線圈具有高品質(zhì)因數(shù)，它的工作范圍在自激振蕩頻率（SRF）以內(nèi)的特性。由此推出適用于自激振蕩頻率中的高品質(zhì)因數(shù)（high-Q）的方法。文獻(xiàn)[9]就輻射WPT使用相同的頻譜或硬件所導(dǎo)致接收能量和傳輸數(shù)據(jù)不能同時進(jìn)行的問題進(jìn)行了研究，并研究了無線設(shè)備何時采集能量、何時發(fā)送數(shù)據(jù)以及使用何種傳輸速率的問題。使在點(diǎn)對點(diǎn)信道上傳輸數(shù)據(jù)包序列時的延遲最小化，以獲得最優(yōu)傳輸功率。文獻(xiàn)[10]在雙源無線供電系統(tǒng)為移動電子設(shè)備充電時，為了獲得接收線圈與發(fā)射線圈之間的實時互感，提出了一種主要參數(shù)（電流和電壓）的檢測方法，替代接收端與發(fā)射端之間的無線通信。文獻(xiàn)[11]介紹了一種均衡電池電壓方法，由于多接收機(jī)WPT系統(tǒng)具有節(jié)省空間、易于實現(xiàn)、提高安全性等優(yōu)勢，將其替換現(xiàn)有的多繞組變壓器，并進(jìn)行了性能分析。文獻(xiàn)[12]中針對串聯(lián)式補(bǔ)償WPT系統(tǒng)，提出了一種離散滑?？刂疲―SMC）的方案，以便快速地實現(xiàn)最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)成本較低，而且不存在通信延遲，從而增強(qiáng)了控制性能。文獻(xiàn)[13]中提出了一種新方法，基于可重構(gòu)的磁諧振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高能量效率。此方法的基本原則是創(chuàng)建一個以上的有效負(fù)荷曲線。WPT系統(tǒng)被控制在可重構(gòu)電路的能效曲線的頂部區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，這樣就可以在非常廣泛的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的傳輸。文獻(xiàn)[14]將印刷電路板（PCB）型混合超材料板（HMS）相結(jié)合，可以在提高功率傳輸效率同時減少高感應(yīng)電磁場的泄漏。文獻(xiàn)[15]提出開關(guān)鍵控的新方法，在不使用dc-dc功率轉(zhuǎn)換器的情況下實現(xiàn)高效率運(yùn)行，降低了平均開關(guān)頻率和開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)使用高增益天線可以提供更高的功率，在低功率密度環(huán)境下射頻功率采集。提出一種行波陣天線（GAA），其在廣角范圍內(nèi)具有良好的靈敏度和有效性。文獻(xiàn)[17]提出了可以進(jìn)行大動態(tài)范圍RF-dc轉(zhuǎn)換的新型整流陣列，并且研究了該整流陣列電路的三種不同應(yīng)用，包括同類型二極管設(shè)計的雙二極管整流陣列、不同類型二極管設(shè)計的雙二極管整流陣列和不同類型二極管設(shè)計的三個二極管的整流陣列。文獻(xiàn)[18]針對WPT中存在對人體有傷害的電磁危害（EMH），提出一種劃分有害無害區(qū)域的方法。文獻(xiàn)[19]中闡述了電能通過多個電源多次傳輸電能，導(dǎo)致該系統(tǒng)效率的低下和成本高昂的問題，由此提出、分析和控制一種新的基于電流直接饋電于ac-ac變換器的方法去控制感應(yīng)式無線電能傳輸功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由于目前WPT技術(shù)相對成熟，所以在具體的應(yīng)用中被廣泛使用。文獻(xiàn)[20]在磁懸浮列車的應(yīng)用中使用共振強(qiáng)耦合方法，彌補(bǔ)導(dǎo)線和連接節(jié)點(diǎn)不可避免地會造成較大的熱損失，并且研究了在不同尺寸的Rx線圈陣列下，多Tx和多尺寸的單Tx線圈的傳輸效率和冷卻成本，最后采用氮?dú)庹舭l(fā)法對長單天線陣和多天線陣下不同尺寸高溫超導(dǎo)接收機(jī)的冷卻成本進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[21]在插入式混合動力電動汽車（PHEV）充電應(yīng)用中，對不同類型無線充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[22]提出了一種用于無線電動汽車充電的多用途隧道磁阻（TMR）傳感器組成的矩陣，該傳感器不僅可以監(jiān)測充電狀態(tài)，還可以檢測線圈未校準(zhǔn)的問題和金屬物體。文獻(xiàn)[23]提出了一種新的拓?fù)淇芍貥?gòu)電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，旨在實現(xiàn)多電動汽車無線充電的能量加密，即可以在減少電容數(shù)量的同時顯著擴(kuò)大電容的補(bǔ)償范圍，從而有效提高多目標(biāo)無線充電系統(tǒng)的安全性能。文獻(xiàn)[24]主要針對動態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)兩種類型的無線充電電動汽車進(jìn)行研究，分別是在行駛中充電和在臨時停車時充電，并且對充電設(shè)施如何配置等問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，其中包括對成本效益的分析、計費(fèi)和定價，以及其他相關(guān)配套的業(yè)務(wù)和設(shè)備。文獻(xiàn)[25]針對于動態(tài)充電在低速中的應(yīng)用場景提出了一種優(yōu)化效率的方法，在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時還可以提高系統(tǒng)效率，還提出一種電流控制的優(yōu)化方法，在接收機(jī)沿軌道運(yùn)動的過程中，同時動態(tài)地調(diào)整發(fā)射電流的方向和比例。文獻(xiàn)[26]綜述和比較了可提高車輛到電網(wǎng)（V2G）和電網(wǎng)到車輛（G2V）功率的各種雙向ac-dc和dc-dc變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還討論了V2G應(yīng)用中包含的各種類型的充電器/充電器系統(tǒng)，如集成/非集成和導(dǎo)電/感應(yīng)等，并根據(jù)提出的一些進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[27]針對無人機(jī)運(yùn)行時間短的問題，設(shè)計了一種最佳的耦合結(jié)構(gòu)和參數(shù)構(gòu)成的非對稱耦合WPT系統(tǒng)，有效地提高了無人機(jī)的充電性能。文獻(xiàn)[28]提出了一種對于工業(yè)機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)可以多方面全狀態(tài)跟蹤控制的實用方法。采用奇異攝動法進(jìn)行推導(dǎo)，通過兩個解耦控制回路，一個控制偏轉(zhuǎn)誤差的快回路和一個在鏈路層上跟蹤控制的慢回路，實現(xiàn)對機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)多方面全狀態(tài)跟蹤控制。文獻(xiàn)[29]針對海水中的無線電能傳輸系統(tǒng)不可避免地會由于渦流損耗而造成能量損失的問題，提出將兩個發(fā)射線圈對稱地放置在接收線圈的兩邊一個線圈結(jié)構(gòu)，從而提高電能傳輸效率。文獻(xiàn)[30]利用麥克斯韋方程組建立了在海水中無線電能傳輸系統(tǒng)失調(diào)時渦流損耗的解析模型，并推導(dǎo)了電場強(qiáng)度和渦流損耗的理論表達(dá)式，最后分析了在不同程度失調(diào)時的渦流損耗。

3 中國研究現(xiàn)狀

中國對于MCR-WPT目前的研究大多都是基于硬件的研究，以提高傳輸效率。文獻(xiàn)[31]通過對ZVS型E類逆變器建模分析，得出其額定最佳工作狀態(tài)下的輸出功率與設(shè)計參數(shù)、負(fù)載間的關(guān)系，從而給出電源適應(yīng)于負(fù)載的高效率MCR-WPT系統(tǒng)設(shè)計方法。文獻(xiàn)[32-33]根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射線圈上的電流隨負(fù)載變化會引起傳輸功率和效率變化的問題，采用集成式LCC補(bǔ)償拓?fù)洌⑶彝ㄟ^分析負(fù)載和耦合系數(shù)對諧振元件的電壓電流應(yīng)力的影響，提出了諧振元件參數(shù)優(yōu)化的方法。文獻(xiàn)[34]結(jié)合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出了高頻逆變器的設(shè)計難點(diǎn)，對應(yīng)用于MCR-WPT系統(tǒng)的高頻逆變器類型進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和歸納，并且提出了高頻逆變器參數(shù)設(shè)計和元件選型方法，為諧振無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)。文獻(xiàn)[35]針對MCR-WPT的4線圈模型中線圈匝數(shù)對系統(tǒng)傳輸功率的影響，通過建立系統(tǒng)模型，利用電路理論計算得出系統(tǒng)的輸出功率公式，并使用MATLAB軟件仿真分析了系統(tǒng)的輸出功率曲線，最后得出了結(jié)論。

中國利用WPT技術(shù)，通過嘗試各種可行的方式提高傳輸效率。文獻(xiàn)[36]研究了基于距離檢測的自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)。采用耦合模理論、E類功率放大器、高品質(zhì)因數(shù)、高集成度諧振體、超聲波傳感器、FPGA處理器和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，基于專家控制算法提出頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案以提高傳輸效率實驗，結(jié)果表明在頻率分裂距離內(nèi)，相對于固定頻率，提出的方案明顯提高了傳輸效率。文獻(xiàn)[37]為降低WPT系統(tǒng)工作過程中對電網(wǎng)的諧波污染，提出了一種采用三相單開關(guān)Bοοst電路的有源功率因數(shù)校正控制方法，利用三相單開關(guān)Bοοst電路的輸出特性和串聯(lián)諧振電路的阻抗特性規(guī)律，對系統(tǒng)在變耦合系數(shù)情況下的工作點(diǎn)進(jìn)行校正，實現(xiàn)了較高功率因數(shù)輸入和相對高效率的輸出。

中國在一些應(yīng)用領(lǐng)域也有所建樹。文獻(xiàn)[38]針對WPT技術(shù)在高電壓領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了磁共振式WPT技術(shù)的特點(diǎn)，建立了帶有中繼線圈的共振無線傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過分析復(fù)合絕緣子的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了一種基于復(fù)合絕緣子的WPT裝置，提供了一種絕緣子內(nèi)嵌線圈的設(shè)計思路，并進(jìn)行了實驗驗證。文獻(xiàn)[39]對雙LCL型WPT系統(tǒng)逆變器輸出電流存在畸變提出改進(jìn)方法進(jìn)行運(yùn)用，并從理論上分析了改進(jìn)方法的工作原理以及可取得的良好效果。

4 國內(nèi)外研究差距

由于中國在WPT領(lǐng)域的研究起步相對于國外來說比較晚，所以目前國內(nèi)的研究基本上應(yīng)用于大方向并沒有完全進(jìn)入一些子領(lǐng)域，而國外正在快速地向全領(lǐng)域邁進(jìn)。在本文中寫出了部分國內(nèi)研究的方向，可以明顯地看出，國內(nèi)的研究目前還只限于理論階段與實驗室階段，在國外電動汽車、可再生能源等子領(lǐng)域并沒有涉及到，暫時還沒有十分成熟的產(chǎn)品。相比而言國外的研究較為廣泛，由于國外對于WPT起步較早，并且早在1980年前后就出現(xiàn)了一些基本的使用WPT的應(yīng)用產(chǎn)品。目前，國外的WPT技術(shù)已經(jīng)展開手腳，面向于各個領(lǐng)域，如電動汽車、無人機(jī)等等，并且致力于可再生的新能源，在當(dāng)代的各類新生產(chǎn)品進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，并且目前國外的研究已經(jīng)涉及到了安全性和在各個復(fù)雜環(huán)境之中如何進(jìn)行電能傳輸?shù)膯栴}。國外在節(jié)約能源、安全性、傳輸效率、在各種環(huán)境中的應(yīng)用和針對于目前環(huán)保問題高速發(fā)展的電動汽車等領(lǐng)域有所建樹。

5 總結(jié)及其今后研究趨勢

目前國外的研究涉及各個領(lǐng)域，應(yīng)用也十分廣泛，如機(jī)器人、電動汽車、磁懸浮列車、無人機(jī)等等。并且對于電動汽車進(jìn)行了大量的研究，涉及電網(wǎng)（V2G）系統(tǒng)、可再生能源（太陽能和燃料電池）。國外的研究普遍對超材料進(jìn)行了運(yùn)用，在有效地提高傳輸效率的同時還可以降低電磁場的泄露。如今國外有很大一部分都是在對電能傳輸中的一些子領(lǐng)域進(jìn)行研究，如天線對準(zhǔn)、應(yīng)對電能中斷、安全性、最大能量效率（MEE）的跟蹤和輸出電壓調(diào)節(jié)等問題。在水下WPT領(lǐng)域也開始進(jìn)行理論方面的研究，為復(fù)雜環(huán)境下WPT系統(tǒng)的設(shè)計和進(jìn)一步研究提供了有益的理論參考。而中國研究基本上應(yīng)用于大方向，對于MCR-WPT和WPT技術(shù)如何提高傳輸效率和高電壓傳輸?shù)阮I(lǐng)域進(jìn)行了研究。其中對于MCR-WPT技術(shù)有廣泛的研究與應(yīng)用。目前，中國研究著重于提高傳輸效率，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行研究。

今后的研究方向趨勢還要以提高傳輸效率、節(jié)約成本、以人為本為前提?，F(xiàn)在每個新技術(shù)的共同研究方向，都是圍繞節(jié)約能源和開發(fā)可再生能源兩個方面進(jìn)行的，今后的研究方向趨勢可能會圍繞太陽能和燃料電池兩方面?？稍偕茉醇傻诫妱悠嚦潆?放電基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用。基于各類新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。以及對電磁傷害的安全性進(jìn)行研究，達(dá)到無傷害或者少傷害，在水下的環(huán)境中如何高功率地進(jìn)行WPT的研究，如水下運(yùn)載工具的應(yīng)用。并且可以推測，隨著研究的不斷深入，人們對于無線充電的便攜性和多樣性的需求也會不斷提高，以及一些高精尖領(lǐng)域也會被開發(fā)，例如航空航天領(lǐng)域。