无线能量传输技术

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无线能量传输技术简述

摘要：

无线能量传输技术近年来得到了极大的发展，在诸多领域得到了广泛的应用。该技术不依赖于有线的传输媒介，对于有线供电部署困难的场合具有重要的意义。本文将简要介绍了无线能量传输技术的发展、传输方式、国内外的研究现状以及传输中遇到的问题。

关键词：

无线能量传输、电磁感应、电磁共振、电磁辐射

1．引言

1.1技术背景

尼古拉?特斯拉创建了交流电系统后，又基于交流电系统提出了无线能量传输的构想，为此，他搭建了特斯拉铁塔实验平台，以研究无线远距离能量传输。后由于资金匮乏最终未能如愿，但这，足以启发人们对无线能量传输的探索。

随着科学技术的发展，基于特斯拉无线能量传输的构想，很多欧美学者展开研究工作，20世纪60年代，提出了利用微波将太阳能从卫星输送到地面的想法；70年代，利用电磁感应原理的电动牙刷研制成功；90年代，新西兰奥克兰大学成立研究中心，主要研究滑动式无线能量传输系统并获得重大进展，21世纪初，美国麻省理工学院研究人员提出了强耦合电磁共振原理，并实验成功引起世界注目；随后几年，诸多国家掀起了无线能量传输技术的研究热潮。

传统的电能传输方式存在很多不足之处，电源线、电源插头种类各异，不能

通用；插座也有形式和数量的限制；电线插头又存在老化损坏的现象，对人们的生命财产安全造成威胁，特别是在一些大功率应用的工业场合，如井下作业、石油和采炼等，接触中即使再微弱的火花都会造成难以估量的损失。而在这些场合，如果使用无线供电方式，就能消除潜在的安全隐患，因为无线能量传输技术能够在非接触的情况下将电能输送过去，这样得以保证系统安全、可靠以及灵活的运作。

1.2技术应用

无线输电技术应用领域非常广泛，概括起来有以下几个方面：

①医学：把设备放置于体外，对体内设备进行无接触能量传输和控制；

②地下作业：用于海底探测、化石能源采集等活动；

③电池充电：手机、笔记本电脑，太阳能电池板等用电设备的电池充电；

④机器驱动：对区域内用电设备直接供电，如电灯、机器人等。

1.3能量传输方式

无线能量传输主要通过三种方式：

①电磁感应式（InductivelyCoupledPowerTransfer），现已比较成熟，它是由原边线圈通电产生磁场，而副边线圈必须处于这一磁场之中才能有效传输能量，因此传输距离相对较近（数十毫米之内），属于近场无线能量传输技术，但电能传输的效率却很高，能够达到99%，工作频率较低，一般在几十KHz。电力传输过程中使用的变压器就是最直接的应用，变压器原副边线圈实际并未相接，通过互感耦合来实现能量的传递，这种技术要求发射端和接收端的位置保持固定，两侧线圈一旦出现位移情况，那么传输的稳定性以及效率都会骤然下降。

②电磁共振式(MagneticResonantWirelessPowerTransfer)，基于相同频率的振

荡电路，只要振荡器设计合理，那么相隔一定距离（共振波长范围内）产生共振，能量通过电磁场为媒介相互传递，亦属于近场无线能量传输技术，传输距离相对较远（数十厘米到数十米），效率高，频率一般在MHz，因为共振波长数倍于振荡器尺寸，所以能量在传输过程中能够绕开或者穿透附近非磁性物体，不受其影响，也不具有特定的方向，并且磁场对周围人和其它生物几乎没有相互作用，安全性得以保证。

③电磁辐射式，它利用微波（MicrowavePowerTransfer）或者平行激光束（LaserPowerTransfer）实现能量的定向传输，属于远场无线能量传输技术，传输距离最远（数千米），由于空气吸收以及电能光能之间的相互转换，导致传输效率非常低，频率最高，一般在GHz，这类点对点传输要求接收装置与发射装置之间不能有障碍，而且激光和微波对生物体会造成不同程度的伤害。

2国内外研究现状

2.1国外研究现状

2006年，美国麻省理工首先提出了磁共振式无线能量传输技术，团队成员使用两个空间螺旋状线圈作为发射端和接收端，隔着障碍物将两米外的一个60W 灯泡点亮，谐振频率在9.9MHz左右。其后，美国威斯康辛大学设计了能够传输220W的无线装置，但是距离缩短至30cm，传输效率却明显提升。

日本东京大学在麻省理工研究的基础上，重点研究了不同线圈结构下传输效率、谐振特性、阻抗匹配等问题，并分析了系统传输特性随耦合系数、传输距离、工作频率、线圈内阻等参数的变化情况，研制出可以给电动汽车充电的展示装置，传输功率在100W左右，传输距离为20cm，效率达到96%。

匹兹堡大学主要研究医学领域，他们利用无线能量传输技术为可植入式设备

提供非接触充电，主要也是基于麻省理工强耦合磁共振原理，由于是应用于医学，属于小功率能量传输，因此，发射端和接收端螺旋状线圈尺寸都较小，特别是接收端只有几十毫米乃至几毫米，完全适合医学植入使用，但是传输效率很低，距离在90mm时传输效率为22.3%。

国际上还有很多知名大学或者组织机构致力于此项技术的研究，不列颠哥伦比亚大学主要研究小功率领域，他们利用电路耦合理论，经过一系列计算得出能够反应系统传输特性的表达式，包括传输功率、传输效率等，并进行了优化分析；华盛顿大学和卡内基梅隆大学利用电路耦合理论并结合实验分析验证了频率分叉现象，即在不同谐振补偿结构下，不同参数条件下，谐振频率点会出现分叉；三菱电机研究所则通过研究电磁材料，通过增大耦合系数的方式，提高能量传输功率和效率。

2.2国内研究现状

在无线能量传输技术研究的热潮中，国内已有不少组织机构投入这个领域，虽然中国在此领域起步较晚，但也获得了一定的研究成果。

2001年，西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在矿井用感应电力机车上应用的可行性的文章。同年，重庆大学自动化学院孙跃教授开始了对无线电能传输技术及其应用的研究，并且重庆大学与国外的新西兰奥克大学展开了合作，与国内的海尔集团进行合作，进行深层次的学术交流与科技合作。2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等对用于体内诊疗装置的无线能量传输方案进行了研究，这是比较早的一次对于无线能量传输技术在医疗仪器上的应用的探索。

随着技术的成熟与进步，越来越多的科研人员与科研机构以及高校开始了对

无线能量传输技术的研究，这项技术也越来越受到关注，且应用领域越来越广，特别在医疗方面，有着巨大地应用价值，比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线供能技术的定点施药系统的设计等等研究。总而言之，国内的关于无线能量传输技术的研究在进一步的深入，在研究领域方面也在进一步的扩大。

3技术挑战

3.1电磁兼容

考虑到电子设备的多样性及电磁环境的复杂性，新技术、新产品的研发和普及过程，以及不可避免的会产生某些干扰，为了同现有无线电业务和平共处，避免产生不必要的频率干扰，就必须考虑电磁兼容问题。

电磁兼容即电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。电磁兼容包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值，不能对其他电子产品产生过大的影响,不影响其他电磁系统的工作，即电磁骚扰；另一方面，是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的电磁抗扰度，即电磁敏感性。

目前没有专门的频段划分给无线能量传输产品，其使用的频段广泛，覆盖低频段到微波段：如基于感应原理的无线充电国际标准规定的操作频率为110kHz～205kHz；MIT的电磁共振实验使用的是4MHz～9.9MHz短波频段；Powercast公司使用915MHz传输能量；采用微波方式的WPT多使用2.45GHz。如果WPT技术使用的频率不恰当，产品设计不够合理产生干扰，可能威胁到导航、移动通信、雷达、蓝牙及WiFi等其他通信系统。

3.2安全问题

无线能量传输系统的安全问题主要应考虑电磁场辐射下对人体的安全问题。无线充电国际标准发布的消息说，具有此标准的产品仅在终端盒充电器线圈里具有非常强的电磁场，在此以外的范围磁场非常弱。MIT也公布实验数据指出，共振状态下磁场强度仅相当于地磁场的强度，不会对人体构成危害。但是，对WPT系统对人体的辐射等问题仍应当谨慎对待。

4结语

无线能量传输作为一种新的能量传输方式，在诸多领域都有着很大的应用潜力，无线能量传输技术不仅能够应用于生物医学、海洋勘探、化石能源开采等方面，而且在还能够应用于人们的日常生活，很大程度上为人类带来便利。

参考文献

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