感應和諧振無線電能傳輸技術的發展

華南理工大學電力學院、直流輸電技術國家重點實驗室—南方電網科學研究院的研究人員張波、疏許健、黃潤鴻，在2017年第18期《電工技術學報》上撰文指出，随着科技的不斷發展和進步，無線電能傳輸技術已成為國内外最受關注的研究課題，是未來電力發展的必然趨勢。

首先介紹無線電能傳輸技術的起源，追溯到電磁波的發現；接着分析無線電能傳輸技術的三種主要形式，包括感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術和微波無線電能傳輸技術。

在此基礎上，對三種形式的無線電能傳輸技術的發展現狀進行論述，詳細闡述目前國内外無線電能傳輸技術的研究成果，并對比分析目前研究最廣泛的感應和諧振無線電能傳輸技術在原理、系統構成、分析方法以及運行條件上的異同，最後對無線電能傳輸技術在各個領域的應用進行了展望。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術是指無需導線或其他物理接觸，直接将電能轉換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間将能量從電源傳遞到負載的電能傳輸技術，因此又被稱為非接觸電能傳輸（ContactlessEnergy Transfer, CET）技術。該技術實現了電源與負載之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活等傳統電能傳輸方式無可比拟的優點，因此得到了國内外學者的廣泛關注[1,2]。

無線電能傳輸是人類一百多年來孜孜不倦追求的目标，該技術是一個多學科交叉的前沿技術，涉及電學、物理學、材料學、生物學、控制科學等多個學科和領域。無線電能傳輸可以有效地克服裸露導體造成的用電安全、接觸式供電的火花、接觸機構的磨損等問題，并避免在潮濕、水下、含易燃易爆氣體的工作環境下，因導線式或接觸式供電引起的觸電、爆炸、火災等事故。

無線電能傳輸技術的出現還促進了大量新型應用技術的産生，如植入式醫療設備的非接觸式供電、超高壓/特高壓杆塔上監測設備的非接觸式供電、家用電器的非接觸式供電、移動設備的非接觸式供電及電動汽車的無線充電等。伴随着智能電網和能源互聯網的發展，電動汽車的無線充電技術将極大地促進新能源汽車産業的發展。

此外，在太空領域，還可以通過無線電能傳輸方式把外太空的太陽能傳輸到地面、在航天器之間實現無線電能傳輸；在軍事領域，無線供電可以有效地提高軍事裝備和器械的靈活性和戰鬥力。因此，世界主要發達國家都十分重視無線電能傳輸技術的研究，美國麻省理工學院主辦的《麻省理工技術評論》雜志已将無線電能傳輸技術列為引領世界未來的十大科學技術之一[3]。

1 無線電能傳輸技術的起源

無線電能傳輸技術的起源可以追溯到電磁波的發現。1865年，麥克斯韋在前人實驗的基礎上，歸納出著名的麥克斯韋方程組，理論上預見了電磁波的存在。1888年，赫茲通過實驗成功地“捕獲”了電磁波，從而為電信号的無線傳輸奠定了堅實的基礎，也為電能的無線傳輸提供了發展的可能。

繼電磁波發現不久，偉大的發明家特斯拉就開始了無線電能傳輸技術的探索[4]，在其專利“電氣照明系統”中通過改進赫茲波發射器的射頻電源[5]，提出了無線電能傳輸的偉大設想；1893年，特斯拉在哥倫比亞世界博覽會上，在沒有任何導線及其他物理連接的情況下，隔空點亮了一盞磷光照明燈[6]。

特斯拉展示的照明燈無線電能傳輸實驗裝置如圖1所示[7]，發射端由高頻交流電源、變壓器、發射線圈P、電火花間隙開關S. G和電容器C組成；接收端由接收線圈S和一個40W的燈泡組成；發射線圈與接收線圈直徑均為24in（1in=0.0254m，24in大約60cm），匝數見圖1中标注。

當發射線圈電感L與電容器C以高頻交流電源的頻率發生串聯諧振時，電容器C上産生的諧振電壓将擊穿電火花間隙開關S. G，使發射線圈P與電容器C經S. G短路發生串聯諧振，發射線圈P上流過的諧振電流産生磁場，耦合到接收線圈S，轉換成電能将燈泡點亮。該裝置可以在發射線圈和接收線圈相距1ft（1ft=0.3048m，大約30cm）範圍内工作。

圖1特斯拉無線電能傳輸實驗裝置

1898年，特斯拉又把無線電能傳輸技術應用到人體電療中，成果在美國電療協會第8次年會上首次展示，并刊登在《電氣工程師》第544期和550期上，1999年被《Proceedings ofthe IEEE》作為經典論文重印[8]。

特斯拉提出無線電療裝置如圖2所示，發射線圈為一個直徑不小于3ft（大約90cm）的大鐵環H，鐵環上繞有幾匝粗大的電纜線P，兩端并聯一個由大面積極闆形成的可變電容器，然後與電源相聯；接收線圈為一普通漆包線繞制的線圈S，用兩個木箍h和硬紙闆固定，連接到人體。該裝置工作時，發射線圈與可變電容器在電源頻率下發生并聯諧振，流過發射線圈的諧振電流産生磁場，耦合到接收線圈，轉換為電能對人體進行電療。

圖2特斯拉的無線電能傳輸電療實驗裝置

1899年，特斯拉在科羅拉多州開展了大規模無線電能傳輸的嘗試，發明了諧振頻率為150kHz的特斯拉線圈[9]，并在長島建造了著名的特斯拉塔如圖3所示。雖然最終由于資金匮乏，利用特斯拉塔進行大功率無線電能傳輸的實驗沒有實現，但留給人們無限的遐想。

特斯拉甚至還設想将地球作為内導體、地球電離層作為外導體，在它們之間建立起8Hz的低頻電磁共振（舒曼共振），實現全球無線電能傳輸。因此，特斯拉毫無疑問是無線電能傳輸的開拓者，是無線電能傳輸原理和技術的奠基者[10]。

圖3著名的特斯拉塔

2 無線電能傳輸技術的形式

無線電能傳輸技術主要分為三種基本形式：

（1）感應無線電能傳輸技術。該技術可通過兩種原理實現：①基于電磁感應原理，将發射線圈和接收線圈置于非常近的距離，當發射線圈通過電流時，所産生的磁通在接收線圈中感應電動勢，從而将電能傳輸到負載；②基于電場耦合原理，通過兩個可分離電容極闆的電場變化，實現電能無線傳輸。

（2）諧振無線電能傳輸技術。該技術同樣可通過兩種原理實現：①基于磁諧振原理，在近場範圍内，使發射線圈與接收線圈均工作于自諧振或諧振狀态，實現電能的中距離無線電能傳輸；②電場諧振原理，通過使兩個帶有電感的可分離電容極闆工作于諧振狀态，通過電場諧振實現電能的無線傳輸。

（3）微波無線電能傳輸技術。該技術的基本原理是将電能轉換成微波，然後通過天線向空間發射，接收天線接收後轉換為電能給負載供電，實現遠距離的無線電能傳輸。與該技術原理相同的無線電能傳輸方式，還有基于射頻技術的無線電能傳輸、基于激光的無線電能傳輸和基于超聲波的無線電能傳輸等。

以上三種形式的無線電能傳輸技術，按照工作于電磁場非輻射區或是輻射區來進行分類，可以将它們分為非輻射式無線電能傳輸技術和輻射式無線電能傳輸技術，其中感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術屬于非輻射式，而微波無線電能傳輸技術則屬于輻射式。

不同的無線電能傳輸技術性能各異，感應無線電能傳輸技術的傳輸功率大，最大功率可達幾百kW以上，且效率較高，最大效率在90%以上，但傳輸的距離很短，一般在幾cm以下[11]；諧振無線電能傳輸技術現階段電能傳輸距離從十幾cm到幾m，傳輸功率從幾十W到幾kW，效率從40%到90%以上；微波無線電能傳輸技術傳輸的距離較遠，為km級，傳輸功率從mW級到MW級，但效率極低，一般低于10%。目前最具有發展和應用前景的是感應無線電能傳輸技術和諧振無線電能傳輸技術。

3 無線電能傳輸技術的發展曆程

3.1 感應無線電能傳輸技術

1894年，繼特斯拉之後，M. Hutin和M. Leblanc申請了“電氣軌道的變壓器系統”專利，提出了牽引電車的3kHz交流電源感應供電技術[12]。間隔大約半個世紀，1960年，B. K. Kusserow提出植入式血泵感應供電方式[13]，開始了感應無線電能傳輸技術在植入式醫療設備供電中的應用研究。随後不久，J. C. Schuder等在哥倫比亞密蘇裡大學進行一項被命名為“經皮層能量傳輸”的研究項目[14,15]，提出利用接收線圈串聯電容來實現諧振無功補償，從而達到高效電能傳輸[16,17]。

1970年，紐約大學的A. I. Thumim等發表了植入式醫療設備感應供電的論文，提出了在發射線圈、接收線圈同時進行串聯電容無功補償的技術，并研究了耦合系數對電能傳輸性能的影響[18]。1971年，射頻技術的應用促進了感應無線電能傳輸技術在醫療設備上的發展[19]，旋轉變壓器在同期誕生[20]，用于取代電刷。

1972年，新西蘭奧克蘭大學的Don Otto申請了采用可控矽逆變器産生10kHz的交流電給小車感應供電的專利（NZ19720167422,JP49063111），首次驗證了給移動物體感應供電的可能性。1974年，出現了電動牙刷的感應無線充電技術[21]，裝在杯型底座的電源通過電磁感應給牙刷中的電池充電。1978年，電動汽車的感應無線充/供電也引起了學術界極大的興趣[22]。

進入20世紀80年代，對電動汽車感應無線電能傳輸理論的探索和應用實踐又有了進一步發展[23-25]。同時在植入式醫療器械非接觸供電技術方面也有了較大突破，1981年，Ian C. Foster進一步提出了在接收線圈進行并聯電容補償的方法，提高了傳輸效率和位移容差[26]。1983年，英國醫學研究理事會的N. N. Donaldson和T. A. Perkins提出了發射線圈進行串聯電容補償、接收線圈進行并聯電容補償的技術，證明存在最優的耦合系數和最大接收功率，但效率較低隻有50%[27]。

1989年，A. Ghahary發展了用串聯諧振變換器實現經皮能量傳輸和對副邊線圈進行串聯電容補償的技術[28,29]。1996年，G. B. Joun又提出了一次側和二次側同時進行串聯電容補償的技術[30,31]。

新西蘭奧克蘭大學的J. T. Boys教授，是20世紀90年代以來對感應無線電能傳輸技術的發展推動最大的學者之一，他系統地開展了對感應無線電能傳輸技術的研究[32-34]，他的研究團隊完善了感應無線電能傳輸的拓撲補償和穩定性理論[35-37]。

J. T. Boys教授于1991年申請的“感應配電系統”的專利，已成為近20年來感應無線電能傳輸技術發展史上的一個裡程碑[32]，該專利首次系統地提出了感應無線電能傳輸裝置的結構和設計方法，該結構如圖4所示。發射線圈由三相交流電供電，具有并聯補償的能量拾取線圈或接收線圈，接收線圈輸出經整流和開關模式控制給負載供電，該結構在軌道電車非接觸供電和電動汽車無線充電中得到成功的應用。

圖4感應配電系統

21世紀以來，感應無線電能傳輸技術開始走向産品化。2003年，英國SplashPower公司開始進行感應無線電能傳輸的産品開發，2005年研制的無線充電器“SplashPad”上市[38]，可以實現1mm内的無線充電；同年，美國WildCharge公司開發的無線充電系統，功率達到90W，可以為多數筆記本計算機以及各種小型電子設備充電[39]，而香港城市大學的徐樹源教授則成功研制了通用型非接觸充電平台[40]，充電時間與傳統充電器無異。

2006年，日本東京大學的學者利用印制塑性MEMS開關管和有機晶體管，制成大面積的無線電能傳輸膜片[41,42]，該膜片上印制有半導體感應線圈，厚度約為1mm、面積約為20cm2、重約為50g，可以貼在桌子、地闆、牆壁上，為裝有接收線圈（用于接收電能）的聖誕樹上的LED燈、裝飾燈、魚缸水中的燈泡或小型電機供電。

2007年微軟亞洲研究院設計和實現了一種通用型“無線供電桌面”，可随意将筆記本、手機等移動設備放在桌面上即可自動開始充電或供電[43]；同年3月，美國賓夕法尼亞州的Powercast公司開發的無線充電裝置可為各種小功率的電子産品充電或供電，該技術采用915MHz的頻率，實現1m範圍内的無線電能傳輸，據稱約有70%的電能轉化為直流電能，該技術已獲得美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission, FCC）的批準[44]。

在大功率感應無線電能傳輸産品開發方面，主要集中在給移動設備，特别是在惡劣環境下運行的設備供電，例如電動汽車、起重機、運貨車以及水下、井下設備[45-51]。目前商業化産品的傳輸功率已達200kW，傳輸效率在85%以上，典型的有日本大阪幅庫（Daifuku）公司的單軌型車和無電瓶自動貨車，新西蘭奧克蘭大學所屬奇思（Univervices）公司的羅托魯瓦（Rotorua）國家地熱公園的40kW旅客電動運輸車以及德國瓦姆富爾（Wampfler）公司的載人電動列車，其總容量為150kW，氣隙為120mm[52]。

此外，還有美國通用汽車公司（GM）推出的EV1型電動汽車感應充電系統、電車感應充電器Magne-chargeTM，Magne-chargeTM的工作頻率可以在80～350kHz範圍變動，傳輸效率達99.5%。

2008年12月17日，無線充電聯盟（Wireless Power Consortium, WPC）成立，是首個以感應無線電能傳輸技術為基礎的無線充電技術标準化組 織[53]。2010年7月，WPC發布了Qi标準，同年9月Qi标準被引入中國，至2014年2月，WPC的成員已經超過了200家企業或組織。2012年又成立了電源事項聯盟（Power MattersAlliance, PMA），也是以感應無線電能傳輸技術為基礎的無線充電技術标準化組織，2013年PMA制定出自己的無線充電标準[54]。

國内關于感應無線電能傳輸技術的研究文獻最早可查的是2001年，西安石油學院的李宏教授介紹了感應無線電能傳輸技術[52]。此後，華南理工大學、重慶大學、天津工業大學、哈爾濱工業大學、中科院電工所、西安交通大學、浙江大學、南京航空航天大學等陸續開展了大量研究[55-64]。

目前重慶大學孫躍教授領導的團隊在感應無線電能傳輸實驗方面，開展了大量的研究，并與新西蘭奧克蘭大學的Patrick Aiguo Hu進行了深層次的學術交流與科技合作，取得了較好的成果。2011年10月在天津召開的國内首次“無線電能傳輸技術”專題研讨會[65]，參會的專家們讨論了無線電能傳輸技術的新進展和存在的一些問題，并達成了“天津共識”，對無線電能傳輸技術在國内的深入研究和繼續推廣具有重要的意義。

3.2 諧振無線電能傳輸技術

100多年前特斯拉提出的無線電能傳輸技術，可以說是諧振無線電能傳輸技術研究的開始，但特斯拉去世後，相當長一段時間諧振無線電能傳輸技術被人遺忘，沒有取得實質性的進展。而進入21世紀，特斯拉利用諧振原理實現無線電能傳輸的設想再次被人關注。

2006年，麻省理工學院物理系Marin Soljacic教授找到了“抓住”發散電磁波的方法，利用物理學的磁諧振原理，讓電磁波發射器與接收器同頻諧振，使它們之間可以進行能量互換。他領導的研究小組進行的無線電能傳輸實驗表明，兩個相同設計的銅線圈（線圈直徑60cm；線徑6mm），在同頻諧振情況下，可以将距離7ft（大約2m）的60W燈泡點亮，且整個系統的效率達40%左右，實驗裝置如圖5所示[66]。

Marin Soljacic教授的研究實證了特斯拉磁諧振無線電能傳輸的設想，是無線電能傳輸技術發展史上具有裡程碑意義的突破。2007年該成果被刊登在《Science》雜志上，掀起了國際上無線電能傳輸技術研究的熱潮，開始了諧振無線電能傳輸技術研究的激烈角逐。

2008年8月，Intel公司在英特爾開發者論壇上，

圖5MIT磁諧振無線電能傳輸實驗

展示了與麻省理工學院類似的磁諧振無線電能傳輸裝置，實現了在1m距離傳輸60W電能的同時，還保持了75%的效率，是磁諧振無線電能傳輸技術的又一進步[44]。2009年，日本東京大學的Yoichi Hori教授利用15.9MHz的諧振頻率，對電動汽車進行磁諧振無線充電，傳輸距離為200mm，傳輸功率為100W，效率達到97%左右[67]；同年，馬裡蘭大學的Sedwick首次提出了用超導體實現長距離磁諧振無線電能傳輸的可行性，并對此進行了詳細的理論分析[68,69]。

2010年，Marin Soljacic教授團隊開展了另一項磁諧振無線電能傳輸實驗，以6.5MHz的諧振頻率和超過30%的效率，實現了2.7m的無線電能傳輸[70]。2011年，有學者在0.3m的距離内，以3.7MHz的頻率實現了功率220W、效率95%的磁諧振無線電能傳輸[71]；同年，韓國學者實驗驗證了兩個超導線圈間的磁諧振無線電能傳輸機理[72]，并在2013年又實現了4個線圈的超導磁諧振無線電能傳輸，且僅在接收端采用了超導線圈[73]。

國内學者也對此進行了研究[74]，并申請了相關專利[75]。超材料應用于磁諧振無線電能傳輸中的技術也因此被提出來，并在實驗上取得了很好的成果[76-80]。國内大型企業海爾公司“無尾電視”采用的也是MIT的磁諧振技術[81]，現在正積極推廣其“無尾廚電”。

2012年6月，三星公司發布了采用磁諧振技術無線充電手機Galaxy S III，是磁諧振無線電能傳輸技術在商業上的首次成功應用；同年，以諧振無線電能傳輸技術為基礎的無線充電聯盟（Alliance forWireless Power, A4WP）也成立起來[82]，并于2013年推出了Rezence無線充電标準。

與磁諧振無線電能傳輸技術一樣，基于電場諧振的無線電能傳輸技術也得到了關注[83-85]，但目前相關成果并不多，有代表性的是2008年美國内華達州雷電實驗室，研制成功了基于電場諧振的無線電能傳輸裝置，将775W的功率傳輸到5m遠的距離，效率達到22%[86]，電場耦合無線電能傳輸裝置如圖6所示。

由于電場對環境的影響和要求不同于磁場，電場諧振無線電能傳輸技術隻能在一些特殊的場合應用，局限性較大，因此目前被廣泛研究的主要是磁諧振無線電能傳輸技術。

國内對諧振無線電能傳輸技術的研究始于2007年，華南理工大學張波教授團隊采用與Marin Soljacic教授團隊的耦合模理論不同的電路分析方法，建立磁諧振無線電能傳輸系統的電路模型[87]，并提出了頻率跟蹤控制的方法。

哈爾濱工業大學朱春波教授采用直徑為50cm的諧振線圈，實現了310kHz諧振頻率、1m距離、50W功率的傳輸[88,89]。天津工業大學楊慶新教授的團隊對從幾十kHz到13.56MHz的磁諧振無線電能傳輸系統進行試驗研究[90,91]。東南大學黃學良教授帶領的團隊采用頻率控制技術實現了距離0.9m、60%的穩定傳輸效率，傳輸功率大約幾十W[92]。

重慶大學孫躍教授的團隊研發的磁諧振無線電能傳輸樣機，諧振頻率為7.7MHz、傳輸距離為0.8m、傳輸功率為60W、傳輸效率為52%[93]。清華大學的趙争鳴教授系統地梳理了磁諧振無線輸電技術存在的問題并指出了未來的一些發展方向[94]，目前磁諧振無線電能傳輸技術在國内呈現出較好的發展勢頭。

圖6電場耦合無線電能傳輸裝置

3.3 微波無線電能傳輸技術

微波無線電能傳輸技術始于20世紀30年代初，Brown在西屋實驗室利用一對100MHz的偶極子，在相距25ft（約7.62m）的地方傳輸了大約幾百W的功率[95]。20世紀50年代末，Goubau和Schwering進行微波無線電能傳輸的嘗試，首先從理論上推算自由空間波束導波可達到接近100%的傳輸效率，并在反射波束導波系統上得到驗證[96]。

20世紀六七十年代國際上掀起了微波無線電能傳輸技術研究的高潮。1964年，雷聲公司的Brown成功地進行了高空直升機平台的微波供電實驗。1968年，美國Glaser提出了太陽能發電衛星的概念，利用微波将能量無線地傳回到地面接收裝置，并将其轉換成電能[97]。

1975年，Brown進一步将微波能量束傳播到1mile遠的接收站上，獲得30kW的直流功率[95]；同年，加州理工學院噴氣與推進實驗室進行了一項被稱為“Goldstone”的實驗，在野外使用工作頻率為2.388GHz的微波，實現了1.54km的無線電能傳輸[98]，但整體效率隻有6.7%（發射端到接收整流端）。

1980年，加拿大通信研究中心研制了第一個由微波供電高空永久平台，該平台高度為21km[99]。1983年，日本采用探測火箭在太空進行了首次微波電能傳輸實驗，并取得成功，該實驗名為“MicrowaveIonosphere Nonlinear Interaction eXperiment（MINIX）”[100,101]。1992年，另一項名為“MIcrowaveLifted Airplane eXperiment（MILAX）”的實驗也在日本完成，這個實驗第一次采用電子掃描相控陣，以2.411GHz的微波束對準移動目标供電[102]。

2001年，法國國家科學研究中心的Pignolet利用微波無線電能傳輸點亮了40m外的一個200W燈泡，2003年他又在留尼汪島上建造了10kW實驗型微波輸電裝置，以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進行點對點無線供電實驗[103]。

2008年，Mankins和德州農工大學、日本神戶大學的學者進行了微波能量從毛伊島傳輸到夏威夷島的實驗，傳輸距離超過148km[104]，創造了微波電能傳輸距離的最高記錄，但沒有突破微波無線電能傳輸的效率低于10%的限制[105]。

2015年3月，日本先後兩次成功進行了微波無線電能傳輸實驗，3月11日日本宇宙航空研究開發機構将1.8kW的電力精準地傳輸到55m距離外的一個接收裝置，3月12日日本三菱重工将10kW的電力轉換成微波後輸送，其中的部分電能成功點亮了500m外接收裝置上的LED燈，該公司計劃在2030～2040年運用該技術，将太空的發電裝置所獲得的電能通過微波向地面傳輸。

國内對微波無線電能傳輸技術的研究始于20世紀90年代[106]，林為幹院士首次在國内介紹了微波無線電能傳輸技術。1998年，上海大學開始對微波能量無線傳輸進行研究，并應用于管道探測微機器人的微波供電[107]。

2006年7月，中國航天科技集團公司組織進行了“空間太陽能電站發展必要性及概念研究”的研讨。2008年，國防科工局啟動“我國空間太陽能電站概念和發展思路研究”項目的研究工作。2010年，由中國空間技術研究院王希季、闵桂榮等七位院士牽頭開展了中國科學院學部咨詢評議項目——空間太陽能電站技術發展預測和對策研究。

2010年，中國空間技術研究院組織召開首次“全國空間太陽能電站發展技術研讨會”，多位院士和近百位專家參加。2013年，國際宇航大會在北京召開，中國專家應邀做了“21世紀人類的能源革命——空間太陽能發電”的空間發電分會主旨發言，葛昌純院士作為特邀專家代表中國參加空間太陽能發電論壇。2014年5月，“空間太陽能電站發展的機遇與挑戰”香山科學會議召開，多個領域的專家研讨了發展空間太陽能電站的重大科學問題和發展建議[108]。

目前國内開展相關研究的團隊包括中國航天科技集團公司、中國工程物理研究院、西安電子科技大學、重慶大學、四川大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學、北京科技大學和中科院長春光機所等單位，在關鍵技術研究方面已經取得了一定的進展，主要包括：解決多個微波源的高效功率合成和高效微波整流技術，實現km距離上微波能量傳輸接收試驗；完成40m2的展開式柔性太陽電池陣原理驗證；建立地面太陽光泵浦激光實驗系統，實現30W的激光輸出，并開展了100m距離的能量傳輸試驗等[108]。

4 感應與諧振無線電能傳輸技術的比較

4.1 原理不同

感應無線電能傳輸技術是基于變壓器原理，依靠發射線圈與接收線圈的磁場耦合來傳遞能量，發射線圈與接收線圈間的磁場耦合程度決定了無線電能傳輸系統的性能。為了保證無線電能傳輸的功率和效率，必須使得耦合系數或互感系數較大，由此限制了它的傳輸距離，還要求發射線圈和接收線圈必須處于同軸，且兩者之間不能有障礙物。

諧振無線電能傳輸技術雖然也是依靠磁場傳遞能量，但與感應無線電能傳輸技術原理不同，采用的是能量耦合原理。由于能量的大小不僅取決于磁場大小，還取決于磁場的變化率、頻率以及其他電參數，能量耦合系數是諧振頻率、互感系數、品質因數等的函數，因此諧振無線電能傳輸技術較感應無線電能傳輸技術複雜。當發射線圈與接收線圈工作于諧振狀态時，可不受空間位置和障礙物的影響，實現中距離無線電能傳輸。

4.2 系統構成的異同

感應無線電能傳輸系統的核心結構是一個無鐵心的分離式變壓器（或稱為松耦合變壓器），發射線圈相當于變壓器的一次側，接收線圈相當于變壓器的二次側，感應無線電能傳輸核心結構如圖7所示。發射線圈由高頻交流電源供電，産生磁場耦合到接收線圈，從而将電能傳輸到接收線圈的負載上，實現電能的無線傳輸。為提高電能傳輸能力，一般發射線圈和接收線圈都附加無功補償網絡來進行無功補償。

圖7感應無線電能傳輸核心結構

諧振無線電能傳輸系統有兩線圈和四線圈結構。較低諧振頻率時采用兩線圈結構，如圖8a所示。發射線圈與電容串聯構成發射端，由高頻交流電源供電；接收線圈與電容串聯構成接收端，與負載相連。工作時，發射線圈電感、接收線圈電感與各自串聯的電容發生同頻串聯諧振，電磁能量在發射線圈與接收線圈之間交換，一部分供給負載，實現了電能的無線傳輸。較高諧振頻率（MHz）時采用四線圈結構，如圖8b所示。

發射端由一個阻抗匹配線圈和一個開口發射線圈組成，高頻交流電源連接到阻抗匹配線圈，阻抗匹配線圈産生的磁場在開口發射線圈中感應電動勢，在高頻感應電動勢的作用下開口線圈電感與其寄生電容發生串聯諧振；接收端由一個開口接收線圈和一個負載阻抗匹配線圈組成，開口發射線圈産生的磁場耦合到開口接收線圈并産生感應電動勢，在此感應電動勢的作用下開口接收線圈電感與其寄生電容發生串聯諧振，電磁能量在開口發射線圈和開口接收線圈之間交換，一部分通過負載阻抗匹配線圈供給負載，實現了電能的無線傳輸。

圖8諧振無線電能傳輸系統

4.3 分析方法的異同

感應無線電能傳輸系統的發射線圈和接收線圈一般采用變壓器模型來分析，參數關系與變壓器相同，較為簡單。LC補償網絡為無功補償電路，根據補償網絡在系統中的連接方式有四種分析模型：發射和接收線圈均串聯（SS）型補償模型；發射和接收線圈均并聯（PP）型補償模型；發射和接收線圈串-并聯（SP）型補償模型；發射和接收線圈并-串聯（PS）型補償模型。綜合建立LC補償網絡和發射線圈及接收線圈模型，就可以分析和設計感應無線電能傳輸系統。

諧振無線電能傳輸系統一般采用耦合模理論分析，建立發射線圈與接收線圈間的能量耦合模型，其優點是物理概念清晰、計算簡單，能夠直觀地反映發射線圈與接收線圈能量交換的過程，但是一種近似的建模方法，且對于較複雜的諧振無線電能傳輸系統如多負載、多電源系統，參數确定有一定難度。

因而，在較低諧振頻率運行時，通常也會采用變壓器模型來分析諧振無線電能傳輸系統的特性，并對系統進行參數設計[87,109,110]。此外，考慮分布參數的影響，采用傳輸線理論的諧振無線電能傳輸系統建模分析方法也被提出。

4.4 運行條件的差異

1）電源頻率。感應無線電能傳輸系統的發射線圈和接收線圈的固有頻率與電源頻率無關，隻是為了減小系統的無功功率，補償網絡電容的選取才考慮電源頻率；而諧振無線電能傳輸技術的發射線圈和接收線圈的固有諧振頻率與電源頻率密切相關，必須完全相同。

2）傳輸距離。感應無線電能傳輸與諧振無線電能傳輸都是在電磁場的近場範圍，如圖9所示。但感應無線電能傳輸的距離與近場範圍大小無關，其隻能工作在cm級的近距離範圍；而諧振無線電能傳輸則能工作在整個近場範圍，近場距離為c/(2f)（c為光速，f為諧振頻率），諧振頻率高、近場範圍小、傳輸距離近，諧振頻率低、近場範圍大、傳輸距離遠，例如麻省理工學院設計的諧振無線電能傳輸裝置，諧振頻率為10MHz，近場範圍為4.778m，即該諧振無線電能傳輸裝置最大傳輸的距離在4.778m以内。因此，諧振無線電能傳輸的距離遠遠大于感應無線電能傳輸的距離，且可以根據實際需要設計電能傳輸範圍。

3）負載能力。感應無線電能傳輸系統一般隻能一對一的供電，即一個發射線圈對應一個接收線圈，而諧振無線電能傳輸系統利用近場為儲能場的性質，通過發射線圈與接收線圈的同頻諧振，一個發射線圈可以給多個接收線圈供電，且不受一般非諧振外物的影響[111]，适用面更廣。

圖9近場範圍波阻與距發射源的距離關系圖

綜上所述可見，感應和諧振無線電能傳輸是兩種不同的電能傳輸方式，由于以往對電磁耦合即為能量耦合認識上的局限性[112]，導緻認為它們的原理完全相同，造成科學研究者和工程技術人員對兩者概念的混淆，在一定程度上阻礙了諧振無線電能傳輸技術的發展。

5 無線電能傳輸技術的應用前景

1）可移動機電設備的無線供電。可移動機電設備如電力機車、城市電車、工礦用車等，其傳統的供電方式一般為滑動摩擦式與電源連接，存在滑動磨損、接觸火花、炭積和不安全裸露導體等弊端。應用無線電能傳輸技術，可以使其安全地工作在各種危險、惡劣環境下，并提高運行性能。

2）電動汽車無線充電。電動汽車電池的充電方式是阻礙其快速發展的重要原因之一，采用現有的有線方式充電，充電樁占地面積大，且用戶使用不方便。采用無線電能傳輸方式可以便捷地将無線充電裝置的發射線圈埋入停車場地下，接收線圈安裝在電動汽車上，用戶停車即可起動充電，充電過程簡單、安全、靈活、高效，無需占地建設專門的充電站，且能夠有效地抑制可再生能源的輸出及波動，與電網能夠産生更強的互動，通過智能互動系統的連接可以自動控制電動汽車合理地進行充放電，有效提高可再生能源的消納能力，具有實際應用意義。

此外，還可以對電動汽車進行動态無線充電，即鋪設一段充電道路，沿線安裝一系列發射線圈，裝有接收線圈的電動汽車運行到該路段就可動态充電，從而降低對電池容量的需求，大大減少電動汽車充電電池容量，降低整車重量和成本，并節省充電時間。

3）機器人無線供電。現有的機器人系統中，大部分運動機械的驅動器都設置在控制櫃中或盡可能靠近控制中心，驅動器的輸出通過電纜從控制中心連接到各個運動機械的控制電機上。為了防止碰斷電纜，機器人手臂的運動必然受到限制，且由于機器人重複運動，電纜連接點易受到損壞，可靠性、安全性降低。無線電能傳輸技術則能使驅動器的輸出通過無線方式傳遞到控制電機，從而避免電纜的存在導緻機器的運動受限以及由于電纜磨損所帶來的操作失誤等缺點。

4）水下設備無線供電。在水下作業中，許多水下設備需要提供電能。若直接由電纜供電，則存在不易安裝、電纜金屬接頭易受海水腐蝕、設備工作區域受限、不靈活、供電效率低等困難和缺點，而采用無線電能傳輸技術對水下設備如深海潛水裝置和海底鑽井等供電，則可較好地克服這些問題。

5）植入式醫療設備無線供電。醫學上越來越多采用電子設備來彌補人體器官的缺陷，典型的設備如心髒起搏器、全人工心髒、人工耳蝸等。然而這些電子設備的共同缺點，就是需要電池供電，當需要更換電池時，病人将承受手術的痛苦和危險。即使采用充電電池供電，也需要穿透皮膚（導線穿過皮膚）用體外電源對電池進行充電，病人同樣承受較大的痛苦。

而無線電能傳輸技術既可以避免導線與人體皮膚直接接觸，防止由于感染而出現并發症，又可以避免植入式電池的電能耗盡之後需要進行手術來更換的問題，消除了由于手術造成的二次傷害，實現對植入人體的電子設備進行無痛苦、安全可靠的充電。

6）無線充電器。手提式計算機、手機、掌上電腦、MP3播放器、數碼相機、無線鼠标、藍牙耳機等各種便攜式電子産品成為人們生活的必需品，但它們最大的缺點是需要使用不同的接口和充電器。而采用無線電能傳輸技術的無線充電器，可以将發射線圈置入一個外形猶如電磁爐的台面中，充電時隻需将電子産品放在該台面上便能進行充電，從而适用于各種電子産品的充電。随着無線電能傳輸技術的發展，未來各種便攜式電子産品，有可能實現随時随地的充電，像無線網絡WiFi一樣。

7）家用電器的無線供電。随着智能化技術的日益發展和進步，智能家居越來越受到人們的廣泛關注，而對于智能家居中的家用電器來說，采用無線電能傳輸技術具有明顯的優勢，該技術可以改變白色家電、黑色家電如洗衣機、部分廚房電器、空調、電冰箱、彩電、音響等的供電方式，使得家電的安置更加靈活，使用更加方便，徹底擺脫傳統的充電線纜對電器互聯的限制和束縛，體現出更大的便捷化和人性化。

6 結論

無線電能傳輸技術消除了傳統導線供電方式的固有缺陷，不存在導線裸露、磨損和接觸電火花等安全問題，極大地提高了供電的安全、可靠和靈活性。在移動設備、電動汽車、機器人、水下設備、植入式醫療設備、充電器和家用電器等方面具有非常廣闊的應用前景。

雖然無線電能傳輸作為一門新興的技術，其研究和應用還處于發展時期，不夠成熟，但是通過國内外專家學者們的不斷努力和突破，該技術必将走向工程化和産業化，從而提高人類的生活質量，節約能源，提高電能的有效利用率。