薛 明 楊慶新 章鵬程 郭建武 李 陽 張 獻(xiàn)

無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題

薛 明1,2楊慶新1章鵬程1郭建武2李 陽2張 獻(xiàn)2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

自美國MIT研究團(tuán)隊(duì)于2007年公開發(fā)表對無線電能傳輸技術(shù)的研究成果以來，國內(nèi)外專家學(xué)者從科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)兩方面進(jìn)行了廣泛且深入的研究。伴隨著難點(diǎn)問題的突破，無線輸電作為一種新型電能傳輸方式所輻射的領(lǐng)域不斷增多。該文首先對無線電能傳輸技術(shù)的分類和組成進(jìn)行簡要介紹；其次著眼于國內(nèi)外10余年來，該技術(shù)在家用電子設(shè)備、智能家居、醫(yī)療器件、工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、水下探測設(shè)備、交通和航天八大領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述該技術(shù)的應(yīng)用水平和目前在不同領(lǐng)域中存在的難點(diǎn)問題；再次從文獻(xiàn)和專利兩方面對比分析國內(nèi)外該技術(shù)的研究成果；最后總結(jié)了無線電能傳輸技術(shù)在各領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中的關(guān)鍵共性問題，并分析無線電能傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀。

無線電能傳輸 靜態(tài)無線充電 動態(tài)無線供電 關(guān)鍵問題 應(yīng)用現(xiàn)狀

0 引言

自從人類學(xué)會用電，便與電密不可分。如今，人們生活中電氣化程度越來越高，電能的應(yīng)用越來越多。傳統(tǒng)電能傳輸普遍采用金屬導(dǎo)線和電纜線等傳輸介質(zhì)，其在電力傳輸過程中不可避免地會產(chǎn)生傳輸損耗、線路老化、尖端放電等問題，從而為一些易燃、易爆場景的供電設(shè)計(jì)帶來困擾。無線電能傳輸作為一種新型的電能傳輸方式有效地避免了“不宜、不易”使用導(dǎo)線供電場景中的諸多弊端，提高了供電方法的自由度，拓展了人們對電能傳輸方法的想象。經(jīng)過多年發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)在家用電子設(shè)備、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、水下探測設(shè)備、交通和航空航天八大領(lǐng)域快速應(yīng)用，并正向更廣泛的領(lǐng)域滲透，部分技術(shù)研究成果已成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化與產(chǎn)業(yè)化。

1 無線電能傳輸技術(shù)簡介

無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology, WPTT）于19世紀(jì)中后期首次被著名的電氣工程師尼古拉·特斯拉提出[1]，它是一種借助于空間無形軟介質(zhì)（如電場、磁場、聲波等）將電能由電源端傳遞至用電設(shè)備的一種傳輸模式。這種傳輸方式與傳統(tǒng)利用電纜線輸送電能的方式相比更加安全、便捷和可靠，被認(rèn)為是能源傳輸和接入的一種革命性進(jìn)步。

1.1 無線電能傳輸技術(shù)分類

隨著無線電能傳輸技術(shù)理論研究的深入與發(fā)展，科研工作者面向不同的應(yīng)用場景和實(shí)際問題，不斷提出與無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)的新名詞和新概念。本文通過查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，將無線電能傳輸技術(shù)按能量傳輸機(jī)理和能量收發(fā)端耦合空間位置變化兩種方式進(jìn)行分類，圖1為無線電能傳輸技術(shù)分類框圖。

1.2 磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)簡介

目前無線電能傳輸方式中，理論研究較多且應(yīng)用進(jìn)程較快的主要為磁耦合無線電能方式。目前已有文獻(xiàn)資料[2-5]從能量傳輸原理分類的角度對磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文從能量收發(fā)端耦合空間相對位置是否變化的角度進(jìn)行闡述。

圖1 無線電能傳輸技術(shù)分類框圖

1）靜態(tài)無線充電系統(tǒng)

靜態(tài)無線充電系統(tǒng)以電磁場為原理，高頻電源、電磁耦合器、能量變換模塊和靜止負(fù)載為電能流通主路，集成檢測、通信、控制和保護(hù)電路，收發(fā)端依靠高頻電磁場實(shí)現(xiàn)為靜止負(fù)載充電。其應(yīng)用主要包括電子設(shè)備、智能家居和醫(yī)療器件等功率需求較小以及電動汽車和工業(yè)機(jī)器人等大功率能量傳輸場景。圖2所示為電動汽車靜態(tài)無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 電動汽車靜態(tài)無線充電系統(tǒng)總體框圖

2）動態(tài)無線供電系統(tǒng)

動態(tài)無線供電系統(tǒng)是以電磁場為原理，高頻電源、電磁耦合器、能量變換模塊和移動負(fù)載為電能流通主路，集成檢測、傳感、通信、控制和保護(hù)電路，收發(fā)端依靠高頻動態(tài)電磁場實(shí)現(xiàn)為移動負(fù)載實(shí)時供電。其與靜態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)相比，原理采用感應(yīng)耦合與電磁諧振[6-7]協(xié)同工作方式，最大差異在于電磁耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償拓?fù)浜涂刂撇呗苑矫?，并且動態(tài)供電系統(tǒng)在系統(tǒng)復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度以及建造經(jīng)濟(jì)性等方面均需要進(jìn)一步提升。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于高鐵列車、有軌電車和電動汽車等場景。如圖3所示為電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。這種供電方式可保證移動受電體實(shí)時獲取電能，有效避免了電池續(xù)航能力弱和充電時間長的弊端，同時也極大地減輕了受電體的質(zhì)量。

圖3 電動汽車動態(tài)無線供電示意圖

3）準(zhǔn)動態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)

準(zhǔn)動態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)[8]構(gòu)成與靜態(tài)無線充電系統(tǒng)類似，其技術(shù)成熟度介于靜態(tài)系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)之間，主要應(yīng)用于移動受電體（有軌電車或電動汽車等）緩慢移動或短暫停車（如交通燈路口）時為車載儲能裝置充電。與傳統(tǒng)的動態(tài)無線傳輸系統(tǒng)相比，簡化了系統(tǒng)控制復(fù)雜性，降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本，并能夠使發(fā)射端和接收端磁場耦合度高，從而實(shí)現(xiàn)能量高效傳輸。

2 無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用水平與重點(diǎn)問題

隨著無線電能傳輸技術(shù)在諸多領(lǐng)域的快速應(yīng)用，本文通過查閱10余年來國內(nèi)外研究成果，闡述了目前該技術(shù)在家用電子設(shè)備、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、水下探測設(shè)備和航空航天八大領(lǐng)域的應(yīng)用水平，并對各領(lǐng)域中待突破的難點(diǎn)問題進(jìn)行了總結(jié)，表1為該技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ确治觥?/p>

2.1 家用電子設(shè)備與智能家居領(lǐng)域

無線電能傳輸技術(shù)最早應(yīng)用于電動牙刷、智能手表、MP3和手機(jī)等電子設(shè)備領(lǐng)域，其充電采用靜態(tài)感應(yīng)式無線充電方式，由于電子設(shè)備的體積較小，線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、屏蔽方式和電能變換集成化芯片是主要研究方向。目前，針對電子設(shè)備的小功率無線充電技術(shù)已經(jīng)成熟，充電標(biāo)準(zhǔn)主要采用無線充電聯(lián)盟（Power Matters Alliance, PMA）標(biāo)準(zhǔn)和Qi標(biāo)準(zhǔn)。無線充電產(chǎn)品中電能發(fā)射端與接收端尺寸在2～10cm，傳輸距離一般在mm級，并且硬件可通過軟件更新實(shí)現(xiàn)兼容。可量產(chǎn)的線圈結(jié)構(gòu)包括HQ-S（單線圈）、HQ-D（雙線圈）、HQ-F（四線圈），以及HQ-O（16線圈）等，并且搭載了專用異物檢測線圈，可檢測直徑小于15mm的標(biāo)準(zhǔn)異物和任何金屬零件，其中，16線圈支持自由位置、15W快充和多設(shè)備同時充電[9]。此外，接收側(cè)采用的無線充電芯片可兼容多種無線充電標(biāo)準(zhǔn)，自動識別發(fā)射端充電協(xié)議。2019年，全球航空航天、國防等行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的主要供應(yīng)商Astronics公司，宣布推出一款可用于商務(wù)飛機(jī)為乘客的智能手機(jī)和其他設(shè)備進(jìn)行無線充電的充電器，這款15W的充電器已被空客、波音公司采用[10]。航空客機(jī)搭載的無線充電模塊如圖4所示。

表1 無線電能傳輸技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ确治?/p>

Tab.1 Comparative analysis of wireless power transmission technology in different application fields

注：高—★★★★★；低—★。

圖4 航空客機(jī)搭載的無線充電模塊

感應(yīng)式無線充電技術(shù)，適合短距離無線充電，充電效率可達(dá)95%以上，但在空間自由度上存在劣勢[11]。磁耦合諧振式充電在水平面積和充電垂直距離方面擁有更高的空間自由度，但是傳輸效率低、成本較高。

在智能家居領(lǐng)域，無線電能傳輸技術(shù)在產(chǎn)品的智能化中具有重要地位，它改變了傳統(tǒng)上通過插、拔電線使用電能的方式，改善了空間環(huán)境和用戶體驗(yàn)，其主要采用靜態(tài)感應(yīng)耦合方式實(shí)現(xiàn)無線充電。

針對感應(yīng)式中功率等級下的具體應(yīng)用場景，科研人員從不同角度進(jìn)行了大量研究工作[12-16]，在理論上取得了諸多可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的成果。海爾集團(tuán)作為中功率等級下無線電能傳輸技術(shù)在智能家居領(lǐng)域成果轉(zhuǎn)化的領(lǐng)先者，近年來不斷推出了諸多可產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。例如，2010年的世界首臺“無尾”電視、2012年的“無尾”廚電產(chǎn)品以及2016年推出的可用手機(jī)APP控制無線充電的衛(wèi)璽無尾智能馬桶蓋[17]。無線電能傳輸在智能家居領(lǐng)域具有巨大的前景，Wireless Power Consortium在2019年3月表明正在編寫其用于廚房電器的新無線電源標(biāo)準(zhǔn)Ki。此外，科研工作者正在研究采用微波無線供電方式同時給家庭中無線鼠標(biāo)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)、臺燈和加濕器等電器進(jìn)行無線供電的技術(shù)。

綜上所述，目前無線電能傳輸技術(shù)在電子設(shè)備領(lǐng)域主要還是以靜態(tài)感應(yīng)式供電系統(tǒng)為主，并已經(jīng)取得諸多可產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入電子商品市場，但具備高空間自由度的充電升級產(chǎn)品還需進(jìn)一步研發(fā)。

在智能家居領(lǐng)域亦是由靜態(tài)感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)占據(jù)著主導(dǎo)地位，技術(shù)比較成熟，已經(jīng)具有商業(yè)化的能力，但由于存在家電負(fù)載功率等級跨度大、拾取端位置與負(fù)載功率需求隨機(jī)性大、效率要求高等問題，因而在研究中對工作頻率、原邊諧振電流及負(fù)載輸出電壓的近似恒定、效率優(yōu)化等方面還需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域

無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于植入醫(yī)療器械，醫(yī)療傳感器如膠囊內(nèi)鏡等醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域，可有效解決患者利用手術(shù)更換電池蓄能的問題。

2003年，日本RF公司采用該技術(shù)研制出植入式內(nèi)窺鏡生物遙測系統(tǒng)，以色列、韓國以及歐洲隨之相繼推出了相應(yīng)的實(shí)物產(chǎn)品。2005年，日本的Masaya Watada與韓國的Y. Um提出了對人工心臟進(jìn)行無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想。2008年，美國匹斯堡大學(xué)將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于體內(nèi)植入器件，并在空氣、人體頭模型及豬活體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2013年，香港城市大學(xué)針對視網(wǎng)膜假體的應(yīng)用中線圈失調(diào)引起的弱磁鏈將嚴(yán)重影響功率效率的問題，提出了一種新型的高偏差容差接收機(jī)結(jié)構(gòu)[18]。2017年，麻省理工學(xué)院科學(xué)家在已研制的采用外部來源進(jìn)行無線充電的耳蝸植入物基礎(chǔ)上，提出采用中場耦合的新技術(shù)，與近場耦合相比，工作頻率與耦合效率獲得較大提升，并通過實(shí)驗(yàn)成功利用位于豬體外的發(fā)射器將電力傳送到位于豬食道、胃和結(jié)腸內(nèi)的三個接收器，傳輸?shù)碾娏λ椒謩e為37.5mW、123mW以及173mW。此外，馬來西亞大學(xué)提出了一種用于機(jī)器人膠囊內(nèi)窺鏡的優(yōu)化電感耦合WPT系統(tǒng)[19]。印度浦那NBN Sinhgad提出了一種基于磁諧振耦合的可穿戴起搏器無線供電系統(tǒng)[20]。清華大學(xué)提出了一種具有自動功率調(diào)節(jié)功能的植入式醫(yī)療設(shè)備的無線功率傳輸系統(tǒng)[21]。

無線充電技術(shù)在醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域研究初期均采用靜態(tài)感應(yīng)耦合方式，要求發(fā)射器和接收器距離較近，適用皮膚下方的植入物充電，而不適用于消化道深處的小型電子產(chǎn)品。2014年，斯坦福大學(xué)研究院在美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上發(fā)表了一種可以為植入人體內(nèi)的醫(yī)療器械進(jìn)行無線充電的新技 術(shù)[22]。該技術(shù)可為僅有米粒大小的醫(yī)療電子設(shè)備進(jìn)行充電，且能夠更“深入”地植入人體內(nèi)，長久地獲得電能輸送，甚至不需要電池儲能，只需將電源靠近皮膚就能給體內(nèi)的設(shè)備供電，如圖5所示。2018年，Cambridge Consultants公司針對人體可植入設(shè)備充電提出了MagLense無線充電系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)具有形狀獨(dú)特的柔性線圈，能夠彎曲變形，適用于人體任意部位的植入設(shè)備。

綜上，目前無線電能傳輸技術(shù)在醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域，皮膚下方的植入物靜態(tài)感應(yīng)方式無線充電比較成熟，消化道深處電子產(chǎn)品的靜態(tài)諧振方式無線充電還處在研究初期。該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)在于不給生物組織造成損傷的安全功率范圍內(nèi)，接收器尺寸微型化、電路結(jié)構(gòu)集成化、材料生物兼容性等問題。

圖5 僅有米粒大小的醫(yī)療電子設(shè)備

2.3 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

近年來，以電能為動力來源的交通工具得到快速推廣，無線電能傳輸技術(shù)作為一種新興的電能傳輸方式，已成為國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)以及各大車企的研究熱點(diǎn)。其原理主要采用感應(yīng)耦合式和磁耦合諧振式，兩種方式可在功率等級、系統(tǒng)損耗、傳輸距離等方面差異形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

2.3.1 電動車輛

電動車輛應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)蓄能，在靈活性和安全性等方面優(yōu)勢明顯，在一定程度上促進(jìn)了電動車輛的發(fā)展。目前，對靜態(tài)無線充電與動態(tài)無線供電系統(tǒng)，研究人員在理論研究和技術(shù)應(yīng)用等方面取得諸多進(jìn)展，但距離成熟可產(chǎn)業(yè)化推廣的采用無線蓄能的電動車輛依舊面臨巨大挑戰(zhàn)。

1）電磁耦合系統(tǒng)

在靜態(tài)無線充電和動態(tài)無線供電系統(tǒng)中，電磁耦合系統(tǒng)是決定整體能量傳輸效率的重要部分，它包括補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ⅰ詈暇€圈和電磁屏蔽三部分。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆呻姼泻碗娙菰拇?lián)或并聯(lián)組成，用來調(diào)節(jié)電磁耦合系統(tǒng)收發(fā)端參數(shù)，使之與線圈電感發(fā)生諧振，從而減低無功、提高傳輸效率和改變傳輸特性等。串串、串并、并并和并串是目前已有文獻(xiàn)中研究較多的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[23]，其中，串并/串諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在全負(fù)載范圍內(nèi)具備接收端輸出恒壓特性[24]。一次側(cè)失諧的SS補(bǔ)償拓?fù)?，具有較強(qiáng)的抗偏移能力且不存在輕載安全問題[25]。此外，在基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上衍生出一些具有更佳性能的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[26]，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)恒流充電模式與恒壓充電模式的自動切換，傳輸效率可達(dá)到92%[27]。在LCL拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，衍生出了LCC拓?fù)?，?jīng)證明，雙邊LCC拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)可解決雙邊LCL拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)傳輸功率偏小和直流磁化等問題，并在雙向電動汽車無線充電應(yīng)用中具有較強(qiáng)的適用性[28-29]。文獻(xiàn)[30]中提出S/CLC補(bǔ)償拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)恒壓輸出、零輸入相位以及零電壓開關(guān)，并且最大輸出功率不受耦合參數(shù)限制。

耦合線圈是實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)暮诵脑?，在靜態(tài)充電系統(tǒng)中，基于能效最優(yōu)的耦合線圈材料、形狀、尺寸和匝數(shù)等參數(shù)優(yōu)化是目前已有文獻(xiàn)中主要的研究方向。文獻(xiàn)[31]選取利茲線繞制方形耦合線圈，并采用了Z型串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在最優(yōu)工作頻率為55kHz時，傳輸距離在8～15cm內(nèi)，系統(tǒng)最高傳輸效率可達(dá)85%以上。文獻(xiàn)[32]則采用螺線管來繞制耦合線圈，并增加了耦合線圈的匝數(shù)，其系統(tǒng)在7kW的功率等級，傳輸距離16cm下，效率可達(dá)93.8%。此外，文獻(xiàn)[33-34]對DD型能量發(fā)射線圈，BBP、DDQ型能量接收線圈進(jìn)行了研究。

與靜態(tài)充電相比，動態(tài)供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)與工作線圈的切換。集中供電導(dǎo)軌和分段供電導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)是目前發(fā)射端主要供電結(jié)構(gòu)，前者根據(jù)磁心形狀線圈可繞成E型、U型、W型、I型、S型和dq型[35-36]，其中，E型、U型和W型是研究較早的三種結(jié)構(gòu)，主要集中在傳輸參數(shù)的優(yōu)化；dq型雙向供電導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可有效解決受電體受電過程中的耦合系數(shù)為零的情形；I型和S型結(jié)構(gòu)為雙極性磁心，能量耦合路徑沿受電體移動方向，提高了橫向偏移容忍度和傳輸效率，同時在建造難度和經(jīng)濟(jì)成本方面具有優(yōu)勢。分段供電導(dǎo)軌一般采用多線圈單元并行連接切換供電方式，可顯著降低系統(tǒng)損耗，但對檢測和控制系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性具有很高要求。文獻(xiàn)[37]針對系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提出了利用基于磁場強(qiáng)度檢測的接收端定位策略（測量周期為6ms，分辨率為5mGs）的分段導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，與單初級繞組系統(tǒng)相比，功率提升25%，效率提升7%。對于分段供電導(dǎo)軌的切換問題，文獻(xiàn)[38-39]從不同的方面進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[38]針對分段式動態(tài)無線充電系統(tǒng)的原邊線圈鏈供電管理的需求，提出了一種基于副邊主動激勵的具有分散控制邏輯的接力方法，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)原邊直流電源供給功率約為50W時，系統(tǒng)傳輸效率為72%。文獻(xiàn)[39]則針對快速切換導(dǎo)軌時可能出現(xiàn)的過電流、過電壓等問題，提出一種基于能量自由振蕩模式的電動汽車無線供電導(dǎo)軌切換方法，實(shí)現(xiàn)了供電導(dǎo)軌的軟 切換。

電磁耦合系統(tǒng)中的電磁屏蔽主要是將電磁能量交換路徑束縛在耦合線圈間，從而最大限度地減小漏磁，提高傳輸效率。從屏蔽材料看，文獻(xiàn)[40]通過有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了耦合機(jī)構(gòu)外加鐵氧體屏蔽后，傳能區(qū)域內(nèi)的磁場被約束在發(fā)射耦合機(jī)構(gòu)與接收耦合機(jī)構(gòu)之間，提高了傳輸效率，其設(shè)計(jì)的帶有鐵氧體屏蔽結(jié)構(gòu)的傳輸系統(tǒng)在傳輸距離為0.40m，軸向偏移0.3m，功率從200W增加到2 500W情況下，效率穩(wěn)定在80%左右。文獻(xiàn)[41]提出了一種鐵磁性和非鐵磁性混合材料制成的屏蔽結(jié)構(gòu)，其實(shí)驗(yàn)傳輸系統(tǒng)在56kHz、傳輸距離6cm時，系統(tǒng)傳輸效率穩(wěn)定在72%，僅裝有鋁板的系統(tǒng)效率只有2%。從屏蔽結(jié)構(gòu)看，文獻(xiàn)[42]設(shè)計(jì)了一種拼接式的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖6所示，與整體平面型相比具有更佳的屏蔽能力且易制造和安裝，采用該結(jié)構(gòu)的傳輸系統(tǒng)效率為90.94%，功率可達(dá)1 297.69W。文獻(xiàn)[43]提出在能量發(fā)射裝置水平側(cè)加屏蔽帶的屏蔽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效降低電動汽車外部的電磁輻射，但整體結(jié)構(gòu)因渦流效應(yīng)產(chǎn)生的熱量對系統(tǒng)影響較大。從屏蔽方式來看，文獻(xiàn)[44]提出一種無耦合單線圈產(chǎn)生抵消磁場主動屏蔽的方式，其系統(tǒng)在傳輸距離15cm時，系統(tǒng)效率高于85%。文獻(xiàn)[45]同樣利用主動屏蔽的方式但創(chuàng)新性地提出了一種利用雙線圈和四個電容作為移相器的新型共振無功屏蔽，當(dāng)采用雙線圈屏蔽時，與沒有屏蔽的情況相比，在地面以上0.15m處，總磁場大幅減小80%。此外，與單線圈屏蔽相比，雙線圈屏蔽在離地0.15m處的總磁場減少最多70.4%。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[46]結(jié)合磁性材料的磁通路徑和抵消磁場主動屏蔽方式，提出一種組合方法來實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，實(shí)驗(yàn)中在額定功率800W，無線線圈之間的間隙距離為30mm，無線功率傳輸效率為83%。

圖6 拼接式屏蔽結(jié)構(gòu)

2）控制策略

系統(tǒng)魯棒控制策略研究是保證無線輸電系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和高效性的必然要求。目前系統(tǒng)控制方法可分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制三種。原邊控制可實(shí)現(xiàn)控制原邊諧振電流簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生恒定交變磁場實(shí)現(xiàn)輸出功率魯棒控制等[47]。文獻(xiàn)[48-49]均對副邊控制策略展開研究，前者基于副邊DC-DC轉(zhuǎn)換器提出最大效率控制，提高了傳輸效率；后者基于副邊可控整流和滯后比較器實(shí)現(xiàn)了對輸出功率或最大效率的控制。雙邊控制可分為雙邊通信控制和雙邊無通信控制。文獻(xiàn)[50]將原副邊相結(jié)合，提出基于工作頻率調(diào)制和雙邊無線通信的閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn)對電池的無線充電。文獻(xiàn)[51]提出無需雙邊通信的功率和最大效率雙參數(shù)同步控制方法，通過DC-DC變換器調(diào)節(jié)副邊等效交流阻抗以及搜索原邊輸入功率最小值，實(shí)現(xiàn)最大效率控制和輸出恒功率控制。

對于動態(tài)無線電能傳輸?shù)聂敯艨刂撇呗?，采用PI控制算法，控制參數(shù)一般通過極點(diǎn)配置法選取，較為簡單且易于實(shí)現(xiàn)。但是目前文獻(xiàn)資料中的建模與控制研究通常忽略電動汽車動態(tài)無線供電實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境中的多種不確定擾動因素，因此研究面向?qū)嶋H應(yīng)用工況的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性以及多參數(shù)擾動下快速魯棒控制器極其重要。

3）技術(shù)應(yīng)用

電動車輛靜態(tài)無線充電技術(shù)已相對成熟，并且寶馬、奧迪、豐田、吉利等各大汽車產(chǎn)商已經(jīng)開始在電動車型上加載，見表2。此外，2019年11月，綠馳汽車宣布將在2020年推出搭載智能無線充電模塊的純電動SUV（內(nèi)部代號：綠馳M500）[52]。

表2 無線充電應(yīng)用車廠及車型

Tab.2 Wireless charging application vehicle factory and vehicle model

相比之下，電動車輛動態(tài)無線供電技術(shù)的成熟度較低，國內(nèi)外均處于樣機(jī)研制和示范工程建設(shè)階段，距離市場化應(yīng)用仍有很多關(guān)鍵問題需突破。2018年8月3日，國家電網(wǎng)有限公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目“電動汽車路段移動式無線充電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研制”暨“電動汽車移動式無線充電實(shí)驗(yàn)路段”順利通過驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)路段長度181m，移動式無線充電功率20kW，轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)27mT，行駛速度可超過60km/h[53]。2018年10月18日，江蘇同里綜合能源服務(wù)中心建成，“三合一”電動汽車動態(tài)無線充電道路亮相。這條公路全長約500m，寬3.5m，它集路面光伏發(fā)電、動態(tài)無線充電、無人駕駛于一體，是目前世界上最長的動態(tài)無線充電道路，如圖7所示為電動車輛無線輸電的應(yīng)用。

圖7 電動車輛無線輸電的應(yīng)用

2.3.2 軌道交通

基于軌道交通運(yùn)行主要以動態(tài)無線供電方式為主的特點(diǎn)，科研工作者從滿足安全性、可靠性、穩(wěn)定性和高效性出發(fā)，對基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，應(yīng)用對象主要為輕軌機(jī)車和高速列車。

龐巴迪公司已經(jīng)建立了輕軌機(jī)車的無線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)路段，全長共510m，原邊采用分段線圈供電，每段長8m[54]。文獻(xiàn)[55]提出了基于輕軌機(jī)車供電位置的頻率跟蹤方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠增加輸出電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[56]分析了全橋整流器對系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)可通過消除其輸入阻抗提升系統(tǒng)效率。為了軌道機(jī)車制動形成的再生能量能夠被有效利用，文獻(xiàn)[57]提出了雙向無線能量傳輸系統(tǒng)方法，將制動能量回饋給電網(wǎng)。在國內(nèi)，天津工業(yè)大學(xué)首次提出將無線電磁能傳輸技術(shù)應(yīng)用在高鐵列車場景，并相繼提出可用于高鐵列車的非對稱耦合機(jī)構(gòu)和高頻信號采集方案[58-59]；韓國鐵道技術(shù)研究院在150m實(shí)驗(yàn)線路上對其研發(fā)的HEMU（high-speed electric multiple unit）進(jìn)行測試并且試驗(yàn)成功[60]；日本東京鐵道技術(shù)研究所將8字形耦合機(jī)構(gòu)裝設(shè)在導(dǎo)軌與列車底盤，列車運(yùn)行過程中獲得了穩(wěn)定的傳輸功率[61]。

綜上，靜態(tài)無線充電和動態(tài)無線供電技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用是目前研究中的熱點(diǎn)，其中，受電體靜止下的無線充電較為成熟，并且部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。相比之下，在移動狀態(tài)下的動態(tài)受電研究由于系統(tǒng)的復(fù)雜性、應(yīng)用環(huán)境的多變性以及實(shí)驗(yàn)成本高等因素進(jìn)展較為緩慢，目前還處于樣機(jī)和示范工程階段，距離可產(chǎn)業(yè)化推廣的成熟應(yīng)用產(chǎn)品還存在很多需要突破的難點(diǎn)。從理論角度看，存在動態(tài)耦合系統(tǒng)優(yōu)化、高速運(yùn)動下供受電端之間的電動力、時空參數(shù)動態(tài)響應(yīng)和不同功率等級下電磁兼容與生物安全性等問題。從技術(shù)角度看，存在系統(tǒng)互操作性與工作穩(wěn)定性、電源響應(yīng)快速性、環(huán)境異物檢測和位置自動對準(zhǔn)等問題。從建設(shè)與運(yùn)營維護(hù)角度看，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，前期建設(shè)成本高和設(shè)備檢修難度大等問題需要解決。

2.4 工業(yè)機(jī)器人

隨著工業(yè)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，信息技術(shù)、新能源、新材料等技術(shù)的交叉融合取得了革命性突破。無線電能傳輸技術(shù)作為一種新型、高效和可靠的電能供給方式，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，加快了我國實(shí)現(xiàn)智能制造的進(jìn)程。

自主導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle, AGV）、巡檢機(jī)器人、物流分揀機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人采用無線充電技術(shù)具有安全、靈活、持續(xù)供電的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了有線供電方式的諸多不足，其原理主要采用靜態(tài)感應(yīng)耦合技術(shù)，研究方向主要集中于針對不同應(yīng)用場景的機(jī)器人無線充電解決方案。文獻(xiàn)[62]通過信號采集與驅(qū)動控制，設(shè)計(jì)了自主尋源并在十幾秒內(nèi)快速完成自主充電的機(jī)器人。針對物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器供電問題，文獻(xiàn)[63]搭建移動機(jī)器人為傳感器電池充電的框架，與現(xiàn)有方法相比大大降低了維護(hù)成本和操作復(fù)雜性。對于組成系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊與傳輸特性，文獻(xiàn)[64]提出了適合移動機(jī)器人充電的線圈結(jié)構(gòu)和逆變電路，并解決了充電站與機(jī)器人之間資源優(yōu)化配置問題。文獻(xiàn)[65]研究了巡檢機(jī)器人的電路拓?fù)?、偏移、電磁干擾等問題，并在滿足最大輸出功率條件下，使系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到84.2%，實(shí)現(xiàn)了能量的高效供應(yīng)。文獻(xiàn)[66]解決了巡檢機(jī)器人頻繁充電、安全性低等缺陷。文獻(xiàn)[67]研究了尋軌機(jī)器人無線充電系統(tǒng)等效電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟開關(guān)設(shè)計(jì)等，并對電力電子器件的性能做了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

綜上，目前工業(yè)機(jī)器人無線電能傳輸技術(shù)主要以靜態(tài)諧振式系統(tǒng)為主，并且在機(jī)器人靜態(tài)下的無線充電較為成熟，但機(jī)器人充電路徑快速識別、發(fā)射線圈的精確定位和不同應(yīng)用負(fù)載的功率輸出控制等仍需要進(jìn)一步研究。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)

無線充電可解決幾十或幾百個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)距離供電問題，適用于智能家居、智能穿載裝置、智能車載系統(tǒng)、智能制造工廠、智能城市與醫(yī)院等應(yīng)用場景，被稱作可為物聯(lián)網(wǎng)帶來革命性突破的關(guān)鍵技術(shù)。

從理論研究看，文獻(xiàn)[68]研究了物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的無線供電，并設(shè)計(jì)了一種針對傳感器射頻的無線供電系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[69]設(shè)計(jì)了一種通過射頻能量發(fā)射器為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備充電的系統(tǒng)，并采用回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架，結(jié)合改進(jìn)的k-means聚類算法預(yù)測出下一時段的能量消耗，對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類，自動確定充電策略，大大增強(qiáng)了功率控制的抗干擾能力，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的能量效率。文獻(xiàn)[70]提出了一種帶有附加搜索技術(shù)的分枝次優(yōu)效率算法，通過計(jì)算確定出基于無線射頻移動充電器的最優(yōu)運(yùn)動路徑，使無線充電效率達(dá)到最佳狀態(tài)。文獻(xiàn)[71]研究了在頻率和相位同步和非同步兩種狀態(tài)下的分布式無線功率傳輸系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)只要在系統(tǒng)中形成最優(yōu)的分流波束，分布式無線充電在覆蓋概率上就更具優(yōu)勢，功率傳輸效率也會得到顯著地提高。從成果轉(zhuǎn)化看，美國科技公司Ossia開發(fā)出一款名為Cota的無線充電器，可為多臺設(shè)備供電并在數(shù)米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制[72]，如圖8所示。

圖8 Cota無線充電器

綜上，物聯(lián)環(huán)境中信息傳感設(shè)備需求功率等級一般較小，在無線電能傳輸系統(tǒng)中效率參數(shù)要求較低。因而，針對物聯(lián)網(wǎng)不同使用情境，縮小接收線圈尺寸與有效距離的比例、突破充電角度與方向限制、滿足眾多裝置同時充電需求是物聯(lián)環(huán)境設(shè)備無線充電中需要解決的突出問題。

2.6 水下探測設(shè)備

水下探測設(shè)備和水下機(jī)器人等水下設(shè)備的持續(xù)供電一直是軍用和民用領(lǐng)域研究的重要問題。目前廣泛采用有線供電或電池蓄能供電的方式，這兩種方式在靈活性、續(xù)航能力、自身體積和質(zhì)量上具有不足。因此，無線電能傳輸技術(shù)在這種特殊環(huán)境下的應(yīng)用具有不可代替的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[73]最早對無線電能傳輸技術(shù)的水下應(yīng)用展開研究，研制了自主式水下運(yùn)載器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）電能供給系統(tǒng)，利用導(dǎo)航和對準(zhǔn)系統(tǒng)對水下基站的能量接收裝置供電。文獻(xiàn)[74]提出一種水下大功率無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)kW級的無線供電功率，無線電能傳輸效率達(dá)94.5%，距離為20cm。文獻(xiàn)[75-77]為抑制水流沖擊對系統(tǒng)造成的影響，從不同方面對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[75]通過對比分析發(fā)現(xiàn)，SP補(bǔ)償拓?fù)渚哂懈玫姆€(wěn)定性和較高的輸出功率。文獻(xiàn) [76]則對水下電磁耦合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出一種參數(shù)優(yōu)化方法，能夠有效提升系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[77]提出了基于鎖相環(huán)控制的AUV非接觸式充電系統(tǒng)的頻率控制方法，使系統(tǒng)始終在諧振點(diǎn)工作。文獻(xiàn)[78-79]為解決水下環(huán)境對傳輸距離的限制，提出帶有中繼線圈的三線圈傳輸系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[80]通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)水下功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆墙佑|式裝置。文獻(xiàn)[81]基于超聲波共振方式的水下無線能量傳輸?shù)脑?、可行性進(jìn)行了初步的分析探討，給出了實(shí)現(xiàn)的原理框圖及實(shí)現(xiàn)方式。文獻(xiàn)[82-83]對電場耦合式水下無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，得出水下耦合機(jī)構(gòu)的等效電容值比在空氣環(huán)境中大，且增大工作頻率和接收端負(fù)載，可以減小耦合機(jī)構(gòu)的損耗。文獻(xiàn)[84]對海水中電磁場的傳播問題進(jìn)行討論分析。文獻(xiàn)[85]在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了海水環(huán)境下的渦流損耗的近似公式并對傳輸系統(tǒng)進(jìn)行損耗分析，結(jié)果表明，共振式無線電能傳輸系統(tǒng)在海水中也具有很大前景。

綜上，無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于水下環(huán)境具有不穩(wěn)定性。能量的收發(fā)端由于水流影響，相對位置偏移和距離不斷改變，會導(dǎo)致系統(tǒng)能效下降；能量收發(fā)端通過高頻電磁場實(shí)現(xiàn)能量的交換，海水作為良導(dǎo)體會產(chǎn)生渦流，造成能量損失；深海高壓環(huán)境變化鐵氧體磁導(dǎo)率下降，影響系統(tǒng)傳輸參數(shù)。因此，綜合考慮海水介質(zhì)、渦流和壓力等因素作用，通過多物理場耦合分析，研究適合于水下應(yīng)用的穩(wěn)定、高效無線電能傳輸方案極其重要。

2.7 航空航天領(lǐng)域

微波和激光無線電能傳輸方式是航空航天領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.7.1 無人機(jī)

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是一種通過無線電實(shí)時遙控或者自身事先存儲好的程序來控制的，具有攜帶多種功能設(shè)備執(zhí)行各種任務(wù)的能力，并且能夠多次利用的無人駕駛航空器。憑借尺寸小、成本低、靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。然而，由于儲能電池以及傳統(tǒng)供電方式的限制，具有長續(xù)航能力的無人機(jī)仍然是難點(diǎn)問題?？蒲泄ぷ髡呃^而采用無線電能傳輸技術(shù)在無人機(jī)能量補(bǔ)給方式上進(jìn)行了研究。

根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[86-90]，無人機(jī)無線供電技術(shù)的研究主要基于中等傳輸距離的磁耦合諧振傳輸機(jī)理，從傳輸模式[86]、傳輸特性[87-88]、耦合結(jié)構(gòu)[89-90]等方面展開，研究無人機(jī)在靜止下[91]或懸停式[92]的無線充電方法如圖9所示?？梢姡壳暗难芯窟M(jìn)展難以為在飛行狀態(tài)下的無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時無線供電，各國機(jī)構(gòu)正在研究利用微波、激光無線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖9 無人機(jī)的無線充電

綜上，無人機(jī)的無線充電研究已經(jīng)取得諸多成果，但實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行狀態(tài)下的實(shí)時電能供給還需要進(jìn)一步研究，其中，具有極大前景的研究集中于微波和激光無線電能傳輸方式。

2.7.2 太陽能衛(wèi)星電站

無線電能傳輸技術(shù)在設(shè)計(jì)與開發(fā)宇宙飛船、導(dǎo)彈、航天站等航天航空領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，研究內(nèi)容主要集中在微波無線傳能系統(tǒng)和激光無線傳能系統(tǒng)。

微波無線傳能技術(shù)主要應(yīng)用于太陽能衛(wèi)星電站，在太空把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再通過微波將電能送到地面的接收裝置，再將所接收的微波能束轉(zhuǎn)變成電能供人類使用。文獻(xiàn)[93]提出了整流天線串并聯(lián)組陣等效模型，得出了串聯(lián)陣與單元負(fù)載成倍數(shù)關(guān)系，并聯(lián)陣與單元負(fù)載成1/倍數(shù)關(guān)系的結(jié)論。文獻(xiàn)[94]研究了發(fā)射天線口徑的激勵電平分布，得出發(fā)射口徑的激勵電平為削尖分布時，可獲得大于95%的波束捕獲功率，比高斯10dB電平分布高2.7%。文獻(xiàn)[95]針對戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度量化評估的問題，提出一種機(jī)載航空電子系統(tǒng)面臨電磁環(huán)境復(fù)雜度的量化評估方法，在考慮無法判定工作狀態(tài)區(qū)域上的數(shù)據(jù)處理中，與傳統(tǒng)的電磁環(huán)境復(fù)雜度評估方法相比，效果提升15.7%。2018年，我國首個空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地在璧山啟動，預(yù)計(jì)在2025年后可大規(guī)模執(zhí)行相關(guān)工作[96]。2019年，美國國防承包商諾斯羅普-格魯曼公司表示會和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)開發(fā)一套帶有太陽電池板的衛(wèi)星系統(tǒng)，用于太陽能衛(wèi)星電站[97]。

激光無線輸電系統(tǒng)基于光電效應(yīng)，以激光束為能量載體，對遠(yuǎn)距離用電設(shè)備進(jìn)行無線供電，可應(yīng)用于空間站艙外應(yīng)急、在軌維護(hù)系統(tǒng)、模塊/分布式航天器互連供電。文獻(xiàn)[98]針對分離模塊航天器系統(tǒng)特點(diǎn)和任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種基于激光相控陣技術(shù)的多光束激光能量發(fā)射天線以及由其組成的激光無線能量系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)[99]設(shè)計(jì)了基于光楔-曲面鏡-棱鏡組的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，整形后的激光光斑尺寸為9.9cm×9.6cm，能量均勻度為68.9%，系統(tǒng)能量傳輸效率為71.3%。文獻(xiàn)[100]選取正態(tài)分布對輻射的劑量率和單位輻射劑量造成的性能退化量進(jìn)行描述，獲得了衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器的可靠度函數(shù)。文獻(xiàn)[101]討論了基于激光的電力傳輸系統(tǒng)的規(guī)劃、激光選擇和測試、激光危險分析和探測器選擇。

綜上，微波無線傳能和激光傳能方式還處于初級階段，前者在系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率、能量接收線圈自動跟蹤、電磁環(huán)境兼容和生物安全問題等方面是重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)；后者由于激光束在空間環(huán)境傳輸無大氣損耗和氣候、大氣湍流等影響，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢，研究重點(diǎn)包括激光光束控制技術(shù)和激光光伏電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

3 無線電能傳輸技術(shù)研究成果

無線電能技術(shù)在近10年處于迅速發(fā)展的階段，取得了大量的研究成果，促進(jìn)了無線電能傳輸技術(shù)在不同領(lǐng)域的快速產(chǎn)業(yè)化。下面對各國近年來取得的成果進(jìn)行概述。

3.1 已發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)資料

在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中以無線電能傳輸技術(shù)和功率傳輸為檢索詞，能看到近十幾年該領(lǐng)域發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)總體呈增長趨勢，其中，2015年出現(xiàn)快速增長，并且在全球范圍內(nèi)，我國發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)最多，WPT相關(guān)文章在SCI中的收錄情況如圖10所示。

圖10 WPT相關(guān)文章在SCI中的收錄情況

選取2017～2019年發(fā)表的1 070篇文獻(xiàn)進(jìn)一步分析。近三年，國內(nèi)外在信息與能量同步傳輸、系統(tǒng)控制算法和耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)所占比重分別達(dá)到了22.61%、21.16%和29.28%?；趯?shí)際應(yīng)用場景研究成果總量有311篇，其中以傳感器、電子設(shè)備、電動汽車領(lǐng)域?yàn)橹鳎鐖D11所示。

在2017～2019年發(fā)表的無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)的1 070篇論文中，共有15篇高被引論文（ESI高被引論文：近10年內(nèi)發(fā)表的SCI論文且被引次數(shù)排在相應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域全球前1%以內(nèi)）。其中，中國研究成果比較領(lǐng)先，達(dá)到了8篇。圖12為15篇論文所涉及研究內(nèi)容分布情況，其中，信息與能量同步傳輸方向的論文數(shù)量達(dá)到了7篇。

對無線傳能領(lǐng)域進(jìn)行檢索，共得到三組Research Front高頻詞組（ESI研究前沿（research front）：通過聚類分析測度高被引論文之間的共被引關(guān)系所形成的一組高被引論文，再對這組論文題目分析而得出的研究前沿），主題分別為信息與能量同步傳輸、大功率無線電能傳輸、醫(yī)療植入式設(shè)備的無線電能傳輸。

圖12 WPT相關(guān)的高被引論文相關(guān)情況

圖13為以2010～2014年周期內(nèi)Top Paper的數(shù)量為基準(zhǔn)，描繪的三個主題的發(fā)展趨勢。從圖中可知，信息與能量同步傳輸、大功率無線電能傳輸一直保持著良好的發(fā)展態(tài)勢，在近五年的成果是2010～2014年的2.63和1.76倍，而醫(yī)療植入式設(shè)備的無線電能傳輸相關(guān)成果較少。

圖13 研究前沿的發(fā)展情況

3.2 已申請相關(guān)專利

10余年來，國內(nèi)外科研工作者基于科技成果轉(zhuǎn)化，面向具體應(yīng)用領(lǐng)域，取得了諸多成果。本文依據(jù)國家專利局的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)的檢索數(shù)據(jù)，對2007～2019年國內(nèi)外針對無線電能傳輸技術(shù)的專利成果進(jìn)行了深入分析。

2007～2019年國內(nèi)外無線輸電技術(shù)相關(guān)專利的申請量隨年度變化情況如圖14所示。由圖14可知，2007～2017年國內(nèi)外無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)專利申請總量隨年度逐年增長。尤其在2015～2017年期間，其申請量總量的數(shù)量最多，2018、2019年申請量出現(xiàn)明顯下滑。從各國專利申請量分布看，美國、中國、韓國、日本專利擁有量較多。

本文對近五年被引用專利數(shù)量較多的美國、韓國和中國進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖15所示。由圖15可知，美國、中國、韓國和日本被引用次數(shù)1～10次專利數(shù)量分別為602項(xiàng)、553項(xiàng)、190項(xiàng)和77項(xiàng)，只有美國有10項(xiàng)專利的被引用次數(shù)超過了50次。從結(jié)果看，無線電能傳輸領(lǐng)域的高被引專利數(shù)量總體較少，美國高被引專利在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。

2015～2019年申請專利總量在不同領(lǐng)域和研究內(nèi)容的分布情況如圖16所示。由圖16可知，2015～2019年專利總量主要分布在交通和電子設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，占比分別為37.24%和27.79%；從研究內(nèi)容看，主要集中在磁耦合機(jī)構(gòu)、控制策略、電路拓?fù)?、信息與能量傳輸四個方面，占比分別為31.67%，19.93%、17.83%和14.66%。

圖15 2015～2019年度專利被引用情況

圖16 2015～2019年申請專利總量在不同領(lǐng)域和研究內(nèi)容的分布情況

對占據(jù)專利總量比例最大的交通領(lǐng)域在2015～2019年年度申請數(shù)量與各國分布情況進(jìn)行分析，如圖17所示。由圖17可知，在交通領(lǐng)域國內(nèi)外相關(guān)專利申請總量依然是美國、中國、韓國、日本占據(jù)前四位，但四國之間的數(shù)量差距不大。

圖17 2015～2019年度交通領(lǐng)域?qū)＠暾埜鲊植记闆r

綜上，2007～2017年無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)研究成果國內(nèi)外呈快速增長的趨勢，2018年至今有小幅下滑；美國、中國、韓國和日本的相關(guān)成果在國際上處于領(lǐng)先地位。從檢索到的文獻(xiàn)資料和專利看，近三年，國內(nèi)外學(xué)者的研究內(nèi)容主要集中于信息與能量同步傳輸、系統(tǒng)控制算法和耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面，其中，信息與能量同步傳輸?shù)陌l(fā)展態(tài)勢良好。

4 無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展中的相關(guān)問題

無線電能傳輸技術(shù)可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從小功率到大功率、從低頻到高頻、從靜態(tài)到動態(tài)均取得了可產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)成果。為進(jìn)一步促進(jìn)無線供電相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，應(yīng)面向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域，加快解決無線充電技術(shù)中的關(guān)鍵共性問題，面向無線充電產(chǎn)業(yè)鏈條，加快突破制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卡脖子問題。

4.1 無線電能傳輸技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵共性問題

4.1.1 多目標(biāo)參數(shù)組合最優(yōu)化

無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)包括品質(zhì)因數(shù)、耦合系數(shù)、發(fā)射阻抗和電源頻率等時變參數(shù)，文獻(xiàn)[102-105]研究了傳輸參數(shù)組合之間的影響關(guān)系，但均是定性分析。在無線電能傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，為使能效最大化，各參數(shù)對能效的解析關(guān)系以及參數(shù)間定量關(guān)系，是無線電能技術(shù)理論研究中的重要方面。

4.1.2 電磁能量傳輸魯棒性

在靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中，耦合機(jī)構(gòu)間隙中攝入金屬異物（含導(dǎo)磁性金屬），或者貓狗等活物侵 入[106-110]。在動態(tài)無線供電系統(tǒng)中，電磁耦合結(jié)構(gòu)振動和受電線圈橫向偏移在實(shí)際應(yīng)用中不可避免，并且在不同環(huán)境條件下，對系統(tǒng)影響的劇烈程度不同，輕微影響會造成受電體受電品質(zhì)下降，嚴(yán)重情況下會造成受電體功率器件損壞停止工作。因而研究抗外界擾動的磁耦合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及高魯棒性控制方法，保證受電體穩(wěn)定與可靠受電，是動態(tài)無線電能傳輸實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基本要求。

4.1.3 多發(fā)射源多負(fù)載技術(shù)

面向不同應(yīng)用場景下負(fù)載的供電需求，電磁耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在一對一、一對多和多對多三種形 式[111-114]。因而在復(fù)雜環(huán)境中，多負(fù)載和多發(fā)射源各自之間的協(xié)同管理、負(fù)載自動充放電以及負(fù)載間相互影響是無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用中需要解決的問題。

4.1.4 電磁環(huán)境生物安全性

電磁環(huán)境生物安全性一直是無線電能傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的重要問題。

2000年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首先提出了太陽能發(fā)電衛(wèi)星無線電能傳輸?shù)陌踩珕栴}[115]，人和其他生命體若長期處在超過安全限值的電磁環(huán)境中，生體機(jī)能會被損壞。日本名古屋工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于MIT的無線電能傳輸系統(tǒng)模型，對電磁安全性進(jìn)行了三個層次的研究[116-121]。文獻(xiàn)[116]基于2/3肌肉組織等效圓柱模型分析了系統(tǒng)參數(shù)，得出開型線圈的系統(tǒng)相比于閉型線圈的系統(tǒng)受人體影響更大。文獻(xiàn)[117-118]用準(zhǔn)靜態(tài)法近似系統(tǒng)的電場分布，通過計(jì)算人體組織等效模型位于該近似電場中固定點(diǎn)的比吸收率（Specific Absorption Ratio, SAR）值，分析系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[119-122]采用準(zhǔn)靜態(tài)法分別近似估計(jì)系統(tǒng)電場和磁場的分布，通過計(jì)算基于幾種不同的人體等效模型的SAR值，研究系統(tǒng)的電磁安全性。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院電磁與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中心及美國華盛頓大學(xué)針對線圈直徑580mm、頻率范圍1～20MHz的無線電能傳輸系統(tǒng)[123]和線圈直徑范圍20～150mm、系統(tǒng)功率5W、頻率100kHz的小尺寸無線電能傳輸系統(tǒng)[124]的電磁環(huán)境進(jìn)行了全面研究。

關(guān)于電磁安全性，國內(nèi)研究較少[125-126]，針對不同應(yīng)用場景下的高強(qiáng)磁場對周圍生物體的影響，尤其對人體的危害程度仍需進(jìn)一步研究。

4.1.5 相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化是制約無線電能傳輸技術(shù)在不同應(yīng)用場景下相關(guān)產(chǎn)品大范圍推廣的關(guān)鍵因素，目前已形成Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)和A4WP[127]標(biāo)準(zhǔn)三大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2015年6月，PMA與A4WP兩大陣營正式合并為AirFuel無線充電聯(lián)盟，將相互兼容對方的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加速了無線充電在全球應(yīng)用的普及。2016年5月31日，美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers, SAE）發(fā)布無線充電指南SAETIRJ2954，被視為電動車的無線充電標(biāo)準(zhǔn)[128]。2018年12月29日，中國通信工業(yè)協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《移動終端無線充電裝置》正式發(fā)布[129]，對18kg及以下的無線充電裝置的安全性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性和性能的相關(guān)要求和檢測方法進(jìn)行了規(guī)定。

針對不同應(yīng)用場景的無線電能傳輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外高度重視。國外從小功率電子設(shè)備到大功率交通運(yùn)輸均出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國針對不同應(yīng)用場景的標(biāo)準(zhǔn)制定則比較緩慢，為了使我國基于無線電能傳輸技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中擺脫國外的制約，必須加快標(biāo)準(zhǔn)的制定。

4.2 無線電能傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀分析

隨著無線電能傳輸技術(shù)在各領(lǐng)域的快速滲透，無線電能傳輸產(chǎn)業(yè)鏈條上的各部分組部件廠商以及與之相關(guān)技術(shù)性公司發(fā)展迅速。中國產(chǎn)業(yè)信息研究網(wǎng)發(fā)布的《2017—2022年中國無線充電行業(yè)市場深度分析與投資前景預(yù)測研究報告》數(shù)據(jù)顯示[130]，無線充電市場2022年將達(dá)到140億美元，滲透率提升到60%以上。從電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域看，根據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)Research and Markets預(yù)測，由于電動汽車和插電式混合動力汽車不斷增長的需求帶動以及無線充電系統(tǒng)制造商研發(fā)力度加大，電動汽車充電市場規(guī)模整體增長，預(yù)計(jì)至2025年，電動車無線充電市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)4.07億美元，2020～2025年期間的年復(fù)合增長率將到117.56%。

面向無線充電全產(chǎn)業(yè)鏈上的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、芯片和磁性材料組部件、制造工藝等重要組成部分，美國、日本等國家對中國形成的技術(shù)壁壘依舊很強(qiáng)，圖18為無線充電全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)?；诖?，我國面向無線電能傳輸技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈條，亟需加強(qiáng)研發(fā)具有高技術(shù)參數(shù)、更高可靠性、更高安全運(yùn)維的自主知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)成果，推進(jìn)我國無線充電產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外從“跟跑、并跑到領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，確保我國無線充電產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

5 結(jié)論

本文首先對無線電能傳輸技術(shù)的原理和分類做了簡要敘述，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)在電子設(shè)備、醫(yī)療器件、智能家居、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造等領(lǐng)域的應(yīng)用水平、研究進(jìn)展及其關(guān)鍵問題；其次對該技術(shù)的研究成果和相關(guān)專利進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析；最后總結(jié)了無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的傳輸參數(shù)組合最優(yōu)化、電磁能量傳輸魯棒性、多發(fā)射源多負(fù)載技術(shù)、電磁環(huán)境生物安全性、相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化五大共性問題，并分析了無線電能傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀。

圖18 無線充電全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

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Application Status and Key Issues of Wireless Power Transmission Technology

1,211222

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China）

Since the MIT research team published its research results on wireless power transmission technology in 2007, extensive and in-depth studies on scientific issues and key technologies have been conducted at home and abroad. With the breakthrough of difficult problems, the fields radiated by wireless transmission as a new mode of power transmission are increasing. In this paper, the classification and composition of wireless power transmission technology are introduced briefly. Secondly, focusing on the application in eight major fields, including household electronic equipment, smart home, medical device, industrial robot, internet of things, underwater acoustic equipment, transportation and aerospace for more than 10 years at home and abroad, the application level of this technology and the key problems existing in different fields are emphatically expounded. Thirdly, the research results of this technology at home and abroad are compared and analyzed from the literature and patent. Finally, the paper summarizes the key common issues in the practical application in various fields and analyzes the current situation of the industrialization of wireless power transmission technology.

Wireless power transmission, static wireless charging, dynamic wireless power supply, key problems, application status

TM724

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200059

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB0106300）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52077153）和天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（18JCQNJC70500）資助。

2020-01-12

2020-07-03

薛 明 男，1987年生，博士，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)。E-mail: xueming@tiangong.edu.cn（通信作者）

楊慶新 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌雠c磁技術(shù)。E-mail: qxyang@tjut.edu.cn

（編輯 崔文靜）