无线电能传输技术综述及应用前景

戴卫力 费峻涛 肖建康 范新南

（河海大学计算机及信息学院（常州），江苏 常州 213022）

1 引言

21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输[1-3]技术（WPT）等是实现能源高效利用的重要途径。WPT在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，WPT的应用已逐步成为现实[9-10]，受到了越来越多的关注。

传统的电气设备都是通过插头或插座等电连接器的接触进行供电[10]。这种传输方式由于存在摩擦、磨损和裸露导线，很容易产生接触火花，影响供电的安全和可靠性，缩短电气设备的使用寿命。同时，差的电气接触连接会增加接触电阻，造成高温引起火灾，电气开关还会引起拉弧的危险[10]。在矿井、油田钻采等场合，采用传统的导线直接接触供电容易因接触摩擦而产生微小电火花，进而引起爆炸，造成重大事故。在水下，导线直接接触供电还会存在电击的潜在危险。而给运动设备进行供电时，一般都采用滑动接触供电，但这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、积碳和不安全裸露导线等缺点[13-15]。而WPT主要利用电磁耦合、微波、电磁共振等形式来传输电能，不存在导线连接，因此是一种安全、可靠的新型电能传输方式[16-18]。

2 无线电能传输技术

早在100多年前就有人提出了无线电能传输的伟大构想。物理学家Herz于1888年利用高频微波能量和定向技术演示了500MHz脉冲能量的产生和传输，但由于当时缺乏能将微波能转变成直流电的装置而未能实现。两年后，物理学家Tesla设想在地球与电离层之间建立大约8Hz的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波实现能量的传输。由于当时财力不足，Tesla的伟大构想并没有实现。随着现代功率变换技术、控制理论、磁性材料的发展，以及特殊场合下电能传输需求的增长，WPT的技术实现成为可能。就目前技术水平而言，实现WPT的技术方案主要包括非接触式电磁感应耦合（ICPT）、射频（RF）、微波以及电磁共振[9-10]。

2.1 电磁感应电能传输技术

ICPT主要以磁场为媒介，利用变压器耦合，以实现无电气连接的能量传输。ICPT的传输功率大，能达几百kW；而传输距离较短，约为1cm以下。

当变压器松耦合时，在高频交流激励下，变压器的原、副边存在很强的电磁耦合，从而使得大气隙下的能量传输变得可行[10]。ICPT系统主要由 3部分组成：①能量发射装置，运用PWM控制将低频电信号转换成高频，便于能量传输；②可分离变压器，实现原、副边的耦合电磁能量传输；③能量接收装置，将传输过来的高频电能整流成直流电供负载使用。

图1给出了两种不同电路拓扑的ICPT系统。其中，图（a）为全桥拓扑，反馈控制并不采用导线连接，而是依靠无线传感器检测出输出极的负载电压和电流，将其反馈给发射极以实现闭环控制；图（b）采用了半桥拓扑，在控制上原、副边各自有独立的调节器，使发射极和接收极能进行独立控制。

图1 非接触式电能传输系统

从上述 ICPT系统可看出：要实现大气隙下能量高效传输的关键是要研制出耦合系数高，漏感小的可分离变压器。图2给出了新西兰奥克兰大学在电动汽车非接触式行车充电系统中采用的分离式变压器，绕组由导电性强、损耗较小的利滋线绕制而成，气隙为10mm。

图2 电动汽车非接触式行车充电轨道

由于可分离变压器比电磁紧耦合的变压器漏感要大，在开关管关断时，开关管上会引起很大的电压尖峰，且大部分能量会损耗在漏感上。因此，需给变压器的原、副边加补偿电路。文献[9]给出了多种补偿方式（见图 3），并就补偿电路的谐振频率进行了分析。文献[5]、[20]指出：要实现能量传输，减小变压器体积，就必须提高工作频率。而高频会使开关管的电压、电流应力增加，因此还需采用软开关技术。

图3 补偿电路类型

20世纪 90年代初，新西兰奥克兰大学功率电子学研究中心的 Boys教授领导的课题组率先对ICPT技术进行了系统性的研究，先后获得了多项发明专利，并将该项技术成功推往美国、日本、德国和法国等地。

2.2 射频电能传输技术

射频电能传输技术（Radio Frequency Power Transmission，RFPT）主要通过功率放大器发射射频信号，然后通过检波、高频整流后得到直流电供负载使用。

RFPT传输距离较远，能达10m，但传输功率很小，大约为几mW至100mW。其主要用途是在便携式终端中提供待机时损耗的功率。如果将电能发射器装在室内的电灯等器具中，可能不需要特意将便携式终端放置于充电器上就可进行充电。RFPT技术在医疗电子行业也得到了长足发展。

在医疗应用领域，可用于人工心脏中的核电池充电，耳蜗植入装置供电等。医疗植入式装置无线电能传输系统的基本工作原理是采用 E类放大器（见图4）作为RFPT系统的发射极，产生的耦合电磁波经穿透人体后，通过谐振回路将电磁波转化为电能，再经过整流、滤波、稳压等辅助电路而得到所需的工作电压。采用 RFPT技术，可以避免人体受感染的风险，同时又解决了电池寿命有限的问题。

图4 E类放大器

2.3 微波电能传输技术

微波电能传输（Microwave Power Transmission，MPT）是将电能转化为微波，让微波经自由空间传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供给负载。

1968年，美国工程师P Glaser首先提出了一种使用MPT技术的太阳能发电卫星，其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地，利用取之不尽的太阳能来进行发电，然后通过微波将电能传输到地面的接收装置，再将所接收的微波转变成电能供人类使用。这种构想的最大优点在于充分利用太阳发出的能量，整个过程是个太阳能、电能、微波、电能的能量转变过程。2003年，科学家在非洲成功完成了MPT实验，使得整个村庄实现了无线供电。MPT的传输效率不高，工作频率主要工作在C波段（5.8～35）GHz，由于MPT技术受地形及环境影响较大，真正得以应用还尚有距离。

MPT技术适合应用于大范围、长距离、且不易受环境影响的电能传输场合，主要有空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电等。微波电能传输技术在对植入式遥测装置进行能量传输时，会对人体产生一定的伤害，因而微波传输技术是不适合用于生物医学领域的能量传输。

2.4 电磁谐振电能传输技术

电磁谐振型电能传输技术（Electro-magnetic Resonant Power Transmission，ERPT）主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理来实现电能的高效传输。2006年，麻省理工学院Soljacic助理教授带领的研究小组成功地将一盏距离发射器2.13m外的60W灯泡点亮。实验表明：当收发双方相隔2m时，传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此，在几米内的中程距离传输电能是可行的。采用ERPT技术，电能传输距离可以达3～4m，传输功率可高达几kW。

在强耦合环境中使用自谐振线圈，通过实验验证了非辐射功率传输，其传输距离能达到8倍的线圈半径。在2m多的距离内，能传输60W左右的功率，效率超过40%。我们建立了个有效的模型来描述这种电能传输，其结果与实验误差在5%以内。最后讨论了这种系统的实际应用和进一步研究的方向。

射频传输，尽管非常适合信息传输，但在功率传输应用方面还有许多的困难：如果辐射发散的话，传输的功率很低。两个具有相同频率的谐振物体能很有效的交换能量。本文要关注的是特殊的物理现象：磁谐振，在MHz频率下的磁谐振感应。然而非谐振物体在中距离传输上是无效的。

可以用耦合模式理论来描述在特定环境下高效的中等功率传输。其线性方程如下：

效率能量传输的关键是当κ2/ΓSΓD＞1，这就是通常所指的强耦合区域。谐振在功率传输装置中扮演着最基本的角色。

3 无线电能传输的主要应用领域及前景

目前WPT技术还大多处在研究阶段，有产品应用的主要是ICPT和RFPT技术。ICPT技术主要应用于电动汽车、机车的充电轨道、矿井和水下探测。而RFPT则主要应用于医疗器械和便携式电子产品。随着MPT和ERPT技术的发展和逐步成熟，无线电能传输的应用领域还在不断拓展：照明、太阳能电站以及航空航天系统等都将成为无线电能传输的新领域。以下就WPT最受关注的应用领域进行探讨。

3.1 交通运输领域

在交通运输领域采用的是 ICPT技术，主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置中。美国工业协会将电动汽车的感应式充电系统按功率分为 3类：①用于应急的小功率充电器，功率等级为1～3kW；②中等功率充电器，功率等级为5～25kW，完成充电需 4～8h；③快速充电器/柜，功率等级为75～300kW。

挪威的Parkon公司正在研发基于ICPT技术的专用充电装置。该装置通过线性光学定位系统，引导驾驶员将车身上的充电插座对准固定的充电器插头，利用汽车自身的动力，将充电器的插头和插座牢牢地连接起来。ICPT技术的难点在于能量的传输定位以及如何提高系统效率。新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将ICPT技术成功应用于Rotorua国家地热公园的30kW旅客电动运输车[13-16]。20世纪90年代后期，日本、德国等国家也开始从事 ICPT的研究和实用化产品开发，获得了一定的技术突破和相应的实用产品，如日本大阪富库公司的单轨型车和无电瓶运货车、德国奥姆富尔（Wampeler） 公司的150 kW载人电动火车，轨道长度达400m，气隙为120mm，是迄今为止建造的最大的ICPT系统。该公司还将 ICPT技术用于电动游船的水下驱动装置[13，21]。美国通用汽车公司子公司Delco Electronics研制的 Magne-chargeTM 是最先商业化的电动汽车ICPT系统之一，现正由Delco生产和销售，专用于GM的EV1型电动汽车充电。1995年1月，美国汽车工程协会根据Magne-charge TM系统的设计，制订了在美国使用 ICPT技术进行电动汽车充电的条例——SAE J-1773[22，29]。

3.2 医疗器械领域

WPT技术的发展也改变了医疗植入式电子系统的供电方式。如心脏启博器的核电池，其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。

在医疗电子系统中，主要采取RFPT技术，通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能，主要有经皮能量传输和直接能量传输。Fernhndez等人设计了一种用于耳蜗植入装置的经皮能量传输系统，采用E类发射电路驱动射频线圈，最高效率可达到75%。受两线圈距离及失配情况影响，两线圈间的距离在3～10mm左右，发射电路由电池供电，接收线圈连到整流电路及负载，最后可得到5V直流电压。

随着植入式系统的复杂化，系统的功耗越来越大，对于短期植入式系统，电池完全可以胜任（如胶囊内窥镜），但对于长期植入式系统往往不能满足要求。无线和光电供电能解决上述问题。基于E类放大器的电磁感应供电效率可达到70%左右，还可以同时传输数据，但RFPT技术容易受其他电子设备发生干扰。不同的供电方式之间也可结合使用，如日本柴建次和越地耕二将射频经皮能量传输与可充电电池结合，为人工心脏提供能量。

3.3 便携通信领域

近年来，WPT在便携通信领域也日渐风靡。并已有不少高科技公司涉及这一领域，如美国 Splash Power公司和Power Cast公司。Power Cast 公司开发的电波接收型电能储存装置是以美国匹兹堡大学研发的无源型RFID技术为基础，通过射频发射装置传递电能。而Splash Power公司则以ICPT技术为突破，开发了手机充电平台。香港城市大学的许树源教授也通过深入研究，研制出了基于ICPT的手机、MP3等便携式通信设备充电平台，并已开始进行成果转化。

3.4 航空航天领域

微波电能传输在航空航天和电力领域已开始得到应用。日本邮政省通信综合研究所和神户大学工学部于1995年成功地开发了利用微波输送5kW电力的无线输电系统。该系统输送的电力，主要作为飞艇的能源来使用。通信综合研究所、神户大学、通产省机械技术研究所等共同开发的WPT系统是由直径为3m的抛物面天线，向飞艇集中发送微波，用安装在飞艇上的特殊天线接收，送电用的天线附有跟踪装置。即使飞艇随风漂移，也可准确跟踪完成送电。

MPT技术的发展也推动了空间太阳能发电和卫星技术的革新。空间太阳能电站发出的电能可通过微波向卫星和地面传输电能。空间太阳能电站中的WPT技术发展经历了很多的阶段，发射，反射和接收技术等得到了很大的发展。微波频率已突破传统的 2.45GHz，提高到 5.8GHz，大大减小了 WPT系统的体积，降低了电站成本。美国、俄罗斯、日本等国在MPT技术上的最大问题是传输效率不高，发射与接收效率不高，大气衰减严重。在整个无线电能传输系统中，电流至微波的转换效率很低，因此首先要提高微波发生器的转换效率。

3.5 水下探测领域

水下探测也是WPT系统的一个重要应用领域。美国Wisconsin大学在这方面率先展开了研究[30]。采取的主要技术是ICPT技术，其分离式变压器采用的是线性同轴绕组变压器（见图5）。Wisconsin大学的研究小组对WPT系统在水下的额外阻抗和功率损耗，同轴变压器的设计原则，变换器原、副边侧的电路拓扑以及传输电缆的设计均进行了深入地研究。该课题小组研制的样机耦合传输功率为500VA。

图5 水下无线电能传输系统

水下高频功率传输，损耗是关键问题。由于海水是优良导体，其电阻随着频率的增长而增加。随着工作频率的提高，海水导电面积减小，电流主要从电缆流通。海水作为导体损耗增加。在研究水下电能传输时，可将海水看作与原边绕组同轴匝链的绕组，通过增加耦合来限制电流路径，以减小耦合海水的损耗。

水下电能传输可用于深海潜水，深海油田与深海采矿。同时，水下电能的获取还能增强非核动力船只的续航能力。

4 结论

文章探讨了新的电能传输方式——无线电能传输，并按技术特点分别对ICPT、RFPT、MPT以及ERPT等不同电能传输技术进行了介绍，归纳了各自的技术特点、关键问题和应用领域。

在我国，无线电能传输技术的相关研究和应用才刚开始起步，仅有综述性文献和个别小功率样机的研究报道[23-29]。不同无线电能传输技术的发展必将推动WPT系统的工程应用和产业化，从而为提高人类的生活品质、节约能源、电能的有效利用开辟一条新的途径。

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