共振式无线电能传输技术的研究进展与应用综述

陈文仙， 陈乾宏

(1. 南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室， 江苏 南京 211106；2. 南京航空航天大学， 江苏 南京 210027)

共振式无线电能传输技术的研究进展与应用综述

陈文仙1， 陈乾宏2

(1. 南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室， 江苏 南京 211106；2. 南京航空航天大学， 江苏 南京 210027)

与传统的接触式充电相比，无线电能传输技术(WPT)具有方便灵活、环境适应性强、安全可靠等优点，吸引了大批研发人员的研究兴趣。其中，共振式无线电能传输技术因其具有较远传输距离以及高效率的能量传输特性而具有良好的应用价值，是无线电能传输领域的重要发展方向之一。文中主要介绍无线电能传输技术的概念及其分类，回顾共振式WPT技术的发展历史，对共振式WPT技术的基本结构与工作原理、热点技术问题以及产品开发与实际应用现状等进行归纳、总结，指出包括非接触变压器在内的谐振网络是制约整个共振式WPT系统的关键。

共振式WPT; 无线电能传输； 磁耦合； 谐振

1 引言

随着人们生活中电气化程度不断的加深，电气化交通、电气化生产和电力电子设备等产品的应用越来越广泛，电能已成为工业生产和家庭生活中不可或缺的存在。在现存的电能传输方式中，传统的依靠导线以及金属接触来进行电能传输的方式依然占据着主导的地位。这种方式依靠导线直接或者导体之间的滑动来传递电能，在一些大功率的场合，尤其在给移动的电力设备进行供电时，容易产生导线磨损、老化、接触火花等问题，在一些特殊的环境中，比如易燃易爆气体含量较高的环境，接触火花的产生会给人们的生产生活带来巨大的灾难，甚至危及到工作人员的生命安全。而非接触电能传输可以避免这些问题的出现，随着人们安全意识的提高，人们对非接触电能的需求也日益增大，对非接触电能传输技术的研究也逐渐深入[1,2]。

无线电能传输(Wireless Power Transmission, WPT)或称非接触电能传输(Contactless Power Transmission, CPT)，实现了电能的无物理连接传输，弥补了传统电能传输方式的不足。WPT系统将传统变压器的紧耦合磁路分开，应用原、副边分离的变压器，通过磁场耦合完成电能传输[1,2]。随着科技的发展以及人们对电能传输要求的提高，传统的电能传输技术在很多方面已经不能满足人们对电能传输的要求。非接触电能传输技术正好应运而生，解决了这一问题。与传统的电能传输技术相比，非接触电能传输主要存在以下优点[1,2]：

(1)设备磨损率低。无线电能传输避免了因传统接触式供电中金属接头与导线的使用而造成的设备摩擦、磨损、老化等问题。无线电能传输节省了大量的线材，无论是橡胶、塑料抑或铜、锡等金属的消耗都将因此而大幅度减少，节约资源、减少污染，低碳环保。

(2)安全可靠。无线电能传输在易燃易爆气体含量较高的环境中避免了传统接触式供电中的接触火花，确保生产生活的安全性与工作人员的生命安全。同时避免了由于经常拔插造成的用电设备接头的损坏和不良接触，避免了由于裸露导线导致的触电危险。

(3)方便灵活。无线电能传输摆脱了传统接触式供电中电线的牵绊与限制，在确保安全性的前提下，无线电能传输将可以彻底解决布线凌乱、电器位置固定、插座破坏居室装修等问题，给我们的生活带来更多便利和美观。

无线电能传输方式分类如图1所示。根据电能传输原理， WPT技术主要分为三种：电磁辐射WPT、磁场耦合WPT以及电场耦合WPT，其中磁场耦合WPT包括感应式WPT和共振式WPT，另外也存在超声波式与激光式WPT技术。表1总结了三种主流WPT技术的概况。下面主要介绍电磁辐射WPT与磁场耦合WPT[2]。

图1 无线电能传输方式分类Fig.1 Classification of WPT technology

表1 三种主流WPT技术概述Tab.1 Three major WPT technical overview

2 无线电能传输技术

2.1 电磁辐射WPT与磁场耦合WPT

(1)电磁辐射WPT

电磁辐射式WPT技术主要为微波WPT。微波WPT技术又称射频WPT技术，主要是利用高频电磁波(300M～300GHz)在较大空间中进行无线电能传输的技术。利用转换器将电能转换为微波，经由天线发射，经过远距离的传播后由天线接收，再经过整流器将微波重新转换为电能。微波或射频WPT技术的特点是工作频率较高、传输功率大、传输距离远，但系统效率低[1,2]。

1968 年，美国工程师 P. Glaser 首先提出一种使用微波或射频WPT技术的太阳能发电基地，其基本构想是在地球外太空建立太阳能发电卫星基地，将取之不尽的太阳能转化为电能，通过微波WPT技术将其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能，整个过程为太阳能-电能-微波-电能的能量转化过程，其基本构想如图2所示[3,4]。图3为科学家在2003 年于非洲通过微波或射频WPT成功实现整个村庄的无线电能传输[1,2]。

图2 太阳能发电卫星基地Fig.2 Solar power satellite base

图3 美国JPL微波能量传输装置Fig.3 US JPL microwave energy transmission device

微波或射频WPT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，主要有同步轨道卫星供电、低轨道和空间太阳能电站等。由于微波或射频WPT的传输效率较低且受地形及环境影响较大，真正得以应用还尚有距离。目前微波WPT技术发展的瓶颈主要为高频整流器件与大功率发射装置的研究与实现，以及微波对生物安全性以及环境安全性所造成的负面影响[1,2]。

(2)感应式WPT

感应式WPT技术是基于电磁感应原理，利用松耦合变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前，该技术较为成熟，在消费电子、生物医学、交通运输、水下井下等均有一定的应用[1]。图4～图7均为利用感应式WPT技术的相关产品。

图4 采用无线电能传输的TDK电动汽车Fig.4 TDK WPT electric vehicle

图5 既能连接电源充电又能无线电能传输的电动巴士Fig.5 Electric bus with both traditional charging and WPT technology

图6 平板电脑向智能手机无线电能传输Fig.6 Tablet PC powers to smartphone with WPT technology

图7 采用了无线电能传输功能的相机Fig.7 Camera with WPT technology

感应式WPT技术的特点为工作频率较低，传输距离较短，系统效率较高，传输效率随传输距离的增加急剧下降且对非接触变压器的原、副边的错位相当敏感。因此，感应式WPT技术适用于中小功率的较短距离的电能传输场合。微波或射频WPT、感应式WPT在效率、传输方位以及传输距离上存在不可兼得的矛盾，限制了其应用范围[5]。

(3)共振式WPT

共振式WPT技术是美国麻省理工学院 (MIT)的研究小组于2007年提出的突破性技术[6]。如图8所示，他们利用两个固有谐振频率相等的铜线圈，在共振激励条件下(激励频率等于线圈的固有谐振频率)成功点亮了相距2m处的一个60W的灯泡，其中传输效率达到40%。图9为共振式WPT实验结构图。共振式WPT技术的特点为工作频率较高，传输距离较远，能量的耦合性和变压器的传输效率高，对非接触变压器原、副边的错位敏感度小，可实现多个终端同时供电以及定向供电等[6]。

图8 共￣振式WPT能量耦合器Fig.8 Energy coupling of magnetic resonance WPT

图9 共振式WPT实验结构图Fig.9 Experimental structure of magnetic resonance WPT

共振式WPT技术与感应式WPT技术相比，具有传输距离远以及高效率的能量传输特性；与微波式WPT技术相比，其工作频率较低，对生物安全性以及环境友好性的负面影响较小。因此可以预见，共振式WPT技术的应用场景将十分广阔，具有极大的应用价值，对电磁理论充电技术的发展具有重要意义，将是无线电能传输领域的重要发展方向[6]。

共振式WPT技术发展至今，对其与感应式WPT技术的本质的探讨一直是一个热点。以MIT为首，其观点为共振式WPT与感应式WPT的本质完全不同，其激励并非直接加到发射线圈两端，而是通过2个中间线圈的感应最后传输到接受线圈，同时线圈须满足一定要求以激发回音壁模式[4]；而另一方面，随着诸多专家学者对其研究的深入，共振式WPT与感应式WPT的本质基本相同逐渐成为主流观点。在感应式WPT技术的研究中，由于其工作频率相对较低，非接触变压器的等效电阻、自身谐振的频率及其寄生参数通常会被忽略，等效模型表现也局限在常规的电路理论，而且非接触变压器通常需要磁心约束磁路。而在共振式WPT技术的研究中，由于频率较高，需要考虑非接触变压器的等效电阻、自身谐振频率及其寄生参数，等效模型描述的方式较多，包括MIT提出的耦合模理论、互感模型以及二端口网络理论等。华南理工大学对共振式WPT技术进行了跟踪研究，认为共振式WPT是常规感应式WPT的特例[6,7]。美国密歇根州迪尔伯恩大学的米教授系统综述了EV用共振式WPT的研究进展，归纳了共振式WPT的三种建模方法：耦合模理论，互感理论及二端口网络理论[8]。其研究指出，共振式WPT与感应式WPT技术都属于近场能量耦合，其本质相同且在大功率低频条件下，两者的线圈结构和实施方法也基本一致。研究的深入使得人们学会用多种视角进行WPT技术的研究、用多种模型来进行WPT系统特性的描述，也逐渐理解两者在磁场能量耦合本质上的统一。

2.2 无线电能传输标准

无线电能传输技术虽然一直都在发展，但并没有真正普及到智能设备中，这其中的一大原因便是无线电能传输标准的不统一。市面上主要的三大无线电能传输联盟分携各自的标准呈分庭抗礼之势。这三家联盟分别是WPC(Wireless Power Consortium)、PMA(Power Matters Alliance)与A4WP(Alliance for Wireless Power)。目前，这三家联盟所推出的标准均是针对共振式WPT小功率级别的产品，而美国汽车工程师协会(SAE)公开非接触供电标准“J2954”为面向感应式大功率级别(主要是EV)。现今，主要的无线电能传输标准有以下四种。

(1)WPC制订无线电能传输传输标准“Qi”，面向5W以下产品

2010年3月，无线电能传输的业界团体——WPC发行了无线电能传输标准的正式版，并面向成员企业公开。该标准是面向智能手机及数码相机等输出功率为5W以下的设备制订的，面向成员企业公开规定了收发设备的系统构成及传输电力控制方法等的接口规格，其正式名称为“System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 00 Release Candidate 1”。图10为德州仪器推出的小型Qi无线电源芯片。

图10 德州仪器推出的小型Qi无线电源芯片Fig.10 A small Qi WPT chip of TI

WPC以制订无线电能传输的业界标准为目标，倡导“Qi”这一品牌名。标准参数由三部分构成，只要是符合Qi规格的设备，即使生产厂商不同也能充电。2010年10月，日本DoCoMo公司公开了符合WPC标准的为手机提供非接触充电的无线电能传输系统，并在“CEATEC JAPAN 2010”会场上展出。谷歌的“Nexus”系列和诺基亚的“Lumia”系列等产品支持该标准。

(2)PMA标准

PMA标准是由Duracell Powermat公司发起的，该公司由宝洁公司与无线电能传输技术公司Powermat合资经营，拥有比较出色的综合实力。PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备打造无线电能传输标准，在无线电能传输领域中具有领导地位。

目前Duracell Powermat公司推出了一款WiCC充电卡，采用PMA标准，如图11所示。WiCC充电卡比SD卡大一圈，内部嵌入了感应式WPT线圈等组件，卡片的厚度较薄，可直接插入现有智能手机电池旁边，利用该卡片可使很多终端轻松支持无线电能传输。

(3)A4WP标准

A4WP由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat公司共同创建的无线电能传输联盟制定的标准。该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成员，目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线电能传输设备设立技术标准和行业对话机制。该无线电能传输联盟将重点放在了共振式WPT技术，与Qi的共振式WPT技术相比，前者传输效率可实现较远距离的无线电能传输，但此时其传输效率较低；后者的适用场合为近场场合，利用感应式WPT以实现高传输效率的能量传输。由于该联盟组成时间较晚，目前采用该标准的产品在市场上并不多见。

图11 WiCC充电卡Fig.11 WiCC charge card

(4)SAE公开非接触供电标准“J2954”的输出功率比和频带等基本指标

SAE于2014年2月举办了“混合动力及电动汽车技术研讨会(Hybrid & Electric Vehicle Technologies Symposium)”，介绍了正在以2015年为目标推进标准化的非接触供电标准“J2954”的进度。其基本方案中主要包括以下四个部分的基本指标。

1)充电输出功率分为三级：①家庭及事务所使用、输出功率最低的“WPT1”为3.6kW；②用于快速充电的“WPT2”为19.2kW；③面向巴士及卡车等大型商用车辆的“WPT3”为60～200kW。

2)频带方面有五个候选带宽，分别为38.10～205kHz、42～56.19kHz、69.93～743kHz、90～838kHz及140.91～148.50kHz。对于无线电能传输的EV，制定频率为85kHz的标准。

3)安全性方面。此次公开了美国能源部(DOE)爱达荷国立研究所的实验装置和实验项目等，均符合“UL(美国安全检测实验室公司)2750”标准，参考了国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全规定。实验对象大致分为车外和车内，车外方面，将车辆和路面之间分为数个等级探讨了电线的影响；车内方面，在座椅上设置了数十处测量点。

4)关于充电线圈的设置位置，路面线圈分为道路埋入型和定置型。目前正在讨论路面线圈与车载线圈的间隙应该设为多大。各国展开讨论时遇到的阻碍是车载线圈的安装位置。德国认为应该安装在车身下部前方，日本认为应该安装在车身下部后方。这是因为各国泊车时车辆的方向不同的缘故。

3 共振式WPT技术的研究现状

国外对磁耦合谐振式WPT技术的研究已经取得了较好的成果，美国MIT、美国密歇根州迪尔伯恩大学、美国卡内基梅隆大学、新西兰奥克兰大学、日本东京大学、韩国科学院及香港大学许澍源教授领导的研究小组都对共振式WPT技术展开了一系列研究。国内关于共振式WPT技术的研究基本与国际同步。近年来从事该技术的研究主要有清华大学、天津工业大学、华南理工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、东南大学、南京航空航天大学、福州大学以及南昌大学等。

3.1 基本结构与工作原理

目前，共振式WPT技术模型主要有以下三种。

(1)耦合模理论

2007年，以美国MIT物理学助理教授 Marin Soljacic为首的研究团队首先提出了磁耦合谐振式无线能量传输(Witricity)的概念。

磁耦合谐振式无线能量传输原理如图12所示。MIT 的研究者提出了以时变磁场为耦合媒质的电磁谐振理论，即耦合模理论。耦合模理论是研究两个或者多个电磁波模式相互耦合规律的理论，其基本思想为将一个复杂耦合系统分解为一定数量的独立部分或单元，然后再分别求解每一个单独的单元约束方程组，这样原有的复杂整体可以看作是由众多独立单元的微扰叠加而成，主要可以从振荡模式、无损振荡系统以及有损振荡系统的耦合模方程去理解其理论基础。图13为MIT电磁共振实验装置图。目前，MIT 所做的研究是从物理学的角度出发——根据耦合模式理论建立变压器的能量特性方程，直接由损耗因子分析非接触变压器的效率特性，用耦合模式理论来描述高效的中等功率传输[9-11]。其线性方程如下：

(1)

图12 MIT无线能量传输装置Fig.12 MIT WPT devices

图13 MIT电磁共振实验装置Fig.13 MIT experimental devices of resonance WPT

(2)二端口网络理论

二端口网络法是高频电子线路中常用的研究方法，利用端口参数进行其特性的描述。利用二端口网络的T参数、Z参数以及S参数可以快速地测量并了解系统的各端口增益特性以及损耗特性。美国密歇根州迪尔伯恩大学等就采用这种模型方法分析其损耗特性。图14和表2给出了建模的基本原理和思路[9]。

图14 非接触变压器的二端口网络模型示意图Fig.14 Two-port network model schematic of contactless transformer

Z矩阵T矩阵S矩阵V1V2[]=Z11 Z12Z21 Z22[]I1-I2[]V1I1[]=a bc d[]V2-I2[]b1b2[]=S11 S12S21 S22[]a1a2[]

根据S参量的物理意义，S11表示端口2到端口1的功率反射系数，S21表示端口1到端口2的功率传输系数。需要说明的是，采用有限元分析软件对研究对象的网络剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场，能够得到较为精确的参数结果。

(3)互感模型理论

华南理工大学的张波教授课题组也提出了共振式WPT技术，他提出将MIT的四线圈结构简化为两线圈结构，即利用两个发生谐振耦合的电路捕捉随距离衰减的电磁场[8]。由于空心线圈在高频下的寄生电阻、电容不可忽略，LS、LD的等效互感耦合模型如图15所示。其中Uin表示前级感应电压源；RS、RD、CS、CD分别为线圈 LS、LD高频下等效寄生参数，若线圈为理想，则可外串谐振电容代替CS、CD；RW为负载回路反射到LD的电阻；LS、LD为线圈电感量；M为互感。

图15 共振式WPT互感模型Fig.15 Mutual model of magnetic resonance WPT

文献[8]基于空间隔离两线圈的互感耦合模型，从电路角度分析系统传输效率在共振状态下的表达式为：

(2)

文献[8]将两线圈不同的工作状态即两线圈均不发生自谐振、仅原边线圈发生自谐振、仅副边线圈发生自谐振、两线圈同时发生自谐振所对应的能量传输效率进行比较分析，得出了共振式WPT系统在两线圈同时发生自谐振的条件下达到最大能量传输效率的结论。原因是在两线圈同时发生自谐振时，此时电抗为零，使得线圈回路的等效阻抗最低，因此传输功率最大，效率最高。互感模型在参数表现中与电路模型一致，其物理意义明确，易于理解与分析，其参数可以直接运用在系统的特性表达式的推导中。而耦合模理论与二端口网络理论的参数并非直接参数，在运用时须先将其转换为电路参数，因此，互感模型在电路实现中更加直接明了，使得理论推导更加简单方便。本文对共振式WPT系统的研究理论也是基于该理论。

3.2 关键与热门技术的发展研究

共振式WPT技术自2007年被发现后，在短短的数年时间内，获得了突破性的发展，这些技术上的飞跃发展来自于该技术中多个方面的研究，主要有以下五个研究方向。

(1)中继线圈延长传输距离

2007年，MIT利用四个线圈构建了共振式WPT的无线电能传输系统，传输距离为2m。磁共振方式无线电能传输技术的最大特点是定位自由度高，尤其是相对于供电底座或发射线圈的垂直方向(Z方向)上的自由度。因此，学者们利用中继线圈以达到延长传输距离的目的。香港城市大学C. K. Lee教授在文献[12]中利用电路理论计算了多个中继线圈条件下的能量传输效率表达式，指出中继线圈可以增强耦合系数，从而能够实现传输效率的提高，并分析了带有中继线圈的系统传输特性，发现系统原共振频率会因中继线圈而产生偏移，且共振频率与多个线圈之间的距离有关，如图16所示。文献[12]最终实现通过8个中继线圈，将传输距离延长至2.1m外。美国匹兹堡大学与香港理工大学研究设计了一个利用中继线圈延长传输距离的系统，如图17所示。通过研究比较两耦合器系统、三耦合器系统、四耦合器系统的特性，指出利用一个或多个中继线圈可以有效地延长传输距离以及提高传输效率[13]。美国卡内基梅隆大学则绘制了一个和多个负载的功率分布源和中继距离的函数，利用该函数来构造一个分布式传感器的共振WPT系统和无线网络包括4个中继器与6个负载，实现在6.4英尺距离下15 mW的功率输出，如图18所示[14]。

图16 8个中继线圈延长传输距离Fig.16 8 repeater coils to extend transmission distance

图17 传统装置与带有中继线圈的装置Fig.17 Conventional system and repeater coil

图18 卡内基梅隆大学无线能量传输装置Fig.18 WPT system of Carnegie Mellon University

在展会“TECHNO-FRONTIER 2011”上，日本线圈厂商胜美达演示了利用磁场共振式无线电能传输的远距离电能传输实验。磁场共振式无线电力传输技术通过在电力的发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，来延长可无线传输的距离。此次胜美达利用3个直径约12cm的单线圈进行了演示，利用中继线圈延长传输距离。如图19所示，左边的线圈为发射线圈。经由中继线圈，点亮了右边安装有接收线圈的LED。去掉中继线圈的话，LED的亮度会减弱。文献[15]中，在两耦合器的系统中间增加了一个中继线圈，研究结果表明，利用中继线圈可以有效地提高传输效率以及延长传输距离，理论计算与实验测量结果高度吻合。同样，文献[16]中，通过在两耦合器系统中增加一个中继线圈可以有效地延长传输距离。

图19 胜美达无线能量传输装置Fig.19 WPT system of Sumida

除了延长Z方向的距离外，松下电工还开发出了中继线圈的其他用法。如图20所示，把作为中继线圈的共振线圈沿水平方向而不是垂直方向排列，并且不是排列2个或3个，而采用大面积排列。目标是只要向其一端的共振线圈供电，无论接收线圈挨着哪个线圈，电力都能通过共振线圈传至接收线圈。关于磁共振方式的技术，松下电工表示目标是用于居住空间，设想在墙壁中并排嵌入大量共振线圈，实现在墙壁的任何地方都能获得电力。松下电工展示了正在开发的利用中继器构成多种传输路径的技术。目前已确认，将构成中继器的线圈纵向3列、横向3行水平铺设时，对角的线圈间可获得80%以上的传输效率[17]。

图20 利用中继器构成传输路径Fig.20 Transmission path with repeater coils

(2)多个激励线圈/接收线圈构建共振空间

共振式WPT技术因拥有高定位自由度，所以会出现接收线圈的方向难以与发射线圈保持平行的情况，东芝公司的着眼点就在于此。磁共振方式中即使接收线圈方向不同也能获得较高传输效率。但如果方向偏离90°左右，传输效率就会大幅降低。 因此，东芝公司开发的是与控制相位差改变增益方向的阵列天线相似的机制，如图21所示。利用两个发射线圈，为流经每个线圈的电流形成相位差，从而使磁力线方向接近接收线圈的方向。该系统实际可选的相位差只有同相(相位差为0)和逆相(相位差为90°)两种。虽然如此，如果能适当切换同相和逆相，也能不受接收线圈方向的影响，保持较高的传输效率。如图22所示，利用两个发射线圈对不处在同一水平位置的接收线圈进行电能传输，通过研究接收线圈旋转角与传输效率的关系，选择最佳的相对位置[18]。重庆大学提出了利用共振式WPT技术构造自组织无线电能传输网络，给空间分布的多设备供电，并对能量传输模式、最优能量传输路径等展开了研究[19]；美国卡内基梅隆大学提出了一种耦合系统的改进结构，用单个发射线圈对多个线圈传递能量，研究其模型和基本特性[14]；日本东北大学针对能量传输距离、发射和接收线圈的位置变化，研究WPT系统的效率特性[20]。

香港大学S. Y. Ron Hui教授课题组对共振式WPT技术的研究比较系统，针对谐振式WPT的定向供能技术、多级线圈结构系统特性的优化、多线圈供电区域设计技术、源侧负载辨识技术等都展开了深入研究，其相关研究成果如图23所示[21]。

图21 东芝实验装置Fig.21 WPT system of Toshiba

图22 平行位置的无线电能传输装置Fig.22 Parallel position of WPT system

图23 香港大学S. Y. Ron Hui教授课题组的相关研究成果Fig.23 Related research of Professor S. Y. Ron Hui at University of Hong Kong

(3)新材料的应用提高系统传输效率

减小在器件中的损耗功率也是提高能量传输效率的途径之一，因此，共振式WPT的材料优化也成为了一个研究热点，其中，变换器应用中的新材料SiC和GaN场效应晶体管以及线圈中的“左手材料”成为了最大热门。

日本东京大学的细谷研究小组所试制的系统之一是开关元件使用常闭型GaN场效应晶体管、共振电容器使用中高压积层陶瓷电容器的系统。将线径为1mm、半径为5cm的环形线圈相对设置，以8.2MHz的开关频率、50Ω负载进行了实验。环路线圈间的距离为3mm，线圈间的磁耦合系数为k=0.567，电气和电磁场间的转换效率约为75%以上，这比MIT于2007年发布的系统的33%大幅提高。输入电压为60V、最大传输电力为74.9W时，整个系统的电力效率为73.3%[22]。德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会在“Electronica 2014”上展示了采用被称作新一代功率元件的SiC和GaN的各种电力转换器，值得关注的是一款输出功率为22kV·A的车载充电器(DC-DC转换器)，用于从外部给车载电池充电的无线电能传输系统。该产品采用了SiC MOSFET，将开关频率提高至15kHz，减小了无源部件等的体积，在减小整个充电器尺寸的同时实现了最大98.3%的高转换效率。弗劳恩霍夫研究所此次还展示了采用SiC JFET的5kW的功率调节器，该产品的最大效率为98%，开关频率高达48kHz。此外还展示了采用GaN功率晶体管的电源，其中有一款输出功率为1kW的LLC转换器，最大开关频率为4MHz，最大效率为94.1%。用于调整太阳能电池模块输出电压的“MPPT功能”的DC-DC转换器也采用了GaN功率晶体管，据介绍，其开关频率250kHz，效率为95.9%[23]。

近些年来，一种由人工合成的 “左手材料(left-handed material)”由于其具有介电常数ε为负值且磁导率μ也为负值的特性，在材料科学、电磁学和应用光学范围内得到越来越多的关注。

上海同济大学指出在共振式WPT系统中应用磁单负特异材料可以有效地提高传输效率，其单元结构如图24所示。研究表明开口谐振环可类比为一个LC回路，在外激励源的作用下，其阵列所产生的感应磁场与外加磁场之间的合磁场与外加磁场方向相反，此时可认为阵列构成的特异材料具有负的磁导率。研究还指出了两种可以获得磁单负特异材料的办法：①将宽铜导线饶成平面多层螺旋线圈，这样线与线之间存在的分布式电容与圈与圈之间的互感(作为电感)在适当的激励下能够产生负等效磁导率；②使用宽铜导线将大电容与大电感串联起来，构成一个具有各种参数的谐振环，该谐振环在适当的激励下也能够产生负等效磁导率[24]。

图24 集总参数式磁单负特异材料单元结构Fig.24 Lumped magnetic single negative metamaterial unit structure

(4)线圈结构多样性降低传输敏感度

作为能量耦合器的线圈是共振式WPT中最为关键的一个部分，对其结构的特性分析与优化也就成为了必不可缺的一个研究方向。文献[25]中表明线圈的尺寸及结构会影响耦合系数，作者研究比较平面螺旋形、球状螺旋形及筒形线圈这三种不同结构的线圈，得出线圈结构决定耦合器的谐振频率的结论。线圈的结构决定磁路，因此发射线圈与接收线圈结构不统一的话，两个线圈之间就不能高效通过磁通量。图25为不同结构的线圈装置。

图25 不同结构的线圈装置Fig.25 Coils with different structures

圆形和方形线圈之间相互不兼容且各具优缺点。方形线圈是在方形的平坦铁氧体内芯上缠绕铜线制成线圈，磁通量从平板内芯的侧面输出，然后从另一平板内芯的侧面进入。其优点是对水平错位的容许量较大，但电磁波的泄漏往往较为严重。由于磁通量是从下方的平板内芯的侧面向水平方向输出，然后再从上方的平板内芯的侧面进入，因此磁路容易在水平面上扩散。圆形线圈则是在面包圈状的铁氧体内芯上设置旋涡状铜线线圈，与方形线圈相比电磁波不易向水平方向泄漏，从发射线圈的内侧输出的磁通量穿过接收线圈的内侧。由于磁通量是从上向下通过，因此在发射线圈的下方和接收线圈的上方设置平坦导体的话，便可轻松封闭磁路。另外，圆形线圈水平错位的容许量也比方形线圈要小。香港大学S. Y. Ron Hui教授课题组针对充电区域能量的均匀性提出了交错式绕组结构，如图26所示[26]。

图26 交错式绕组结构Fig.26 Interleaved winding structure

(5)控制策略和频率追踪技术

WPT系统中出现的频率分裂问题使得控制技术和频率追踪技术成为了一个研究热点。所谓的频率分裂具体指在多线圈传输结构中，随着传输距离的减小，传输效率频率曲线出现了多个峰值[27-31]。天津工业大学根据传输距离的不同进一步将系统划分为三种状态：过耦合、临界耦合和欠耦合，分别对应于已经发生频率分裂、正要发生频率分裂和未发生频率分裂的情况[32,33]。韩国科学技术院(KAIST)对共振式WPT系统的频率和功率的跟踪技术展开了研究，从输入阻抗的特性出发，指出系统在近距离传输中会出现两个谐振频率，系统在这两个谐振频率处取得最大传输功率和传输效率，利用发射端和接收端的实时射频通信实现了60cm大间隙条件下的功率输出[34]。清华大学基于电路原理推导出两线圈系统的电压增益、输出功率、效率与驱动频率的表达式，指出随着距离变化，频率分裂发生在电压增益和输出功率中，而效率不存在频率分裂，并对多线圈共振式WPT技术的频率分裂特性进行了深入研究[35]。华南理工大学张波教授则应用互感模型对两线圈共振式WPT系统的负载传输特性进行深入分析，得到了实现最大输出功率与最优效率的负载条件，并提出用锁相环实现频率自动跟踪满足实际调谐的需要[36]。东南大学领导的研究小组针对谐振式WPT技术的能量传输特性、功率调频控制技术、效率稳定技术、动态频率调控技术等展开了一系列研究，并于2013年完成了一台3kW的充电样机[37]。

3.3 产品开发与实际应用现状

WiTricity公司试制出了使用该公司磁场共振技术的多款无线电能传输产品[38,39]。电视机方面，WiTricity公司利用其开发的系统为三星电子的电视机供电，驱动其工作，使用的是250kHz这一更低的频率。该试制机发射线圈与接收线圈的距离为50cm左右，但可通过改变共振器的尺寸进一步延长传输距离。图27(a)为试制的电视机无线电能传输系统，其从下部无线电能传输，驱动了电视机，展示了通过下部设置的底座为便携终端充电的概念。以垂直方向的位置自由度高为卖点。共振器为薄膜状，如图27(b)所示，因此还可轻松嵌入带有曲面的机壳中，此次该公司展示了在小型蓝牙耳机中嵌入共振器的试制机。图27(c)为可同时支持Qi标准、Powermat技术及WiTricity技术的智能手机充电的充电板。为了实现共振器的小型化以用在智能手机中，WiTricity将供电用频率设定为6.78MHz。用1台充电座实现基于三种不同标准的充电还属首次。WiTricity公司负责人表示，将来多种无线电能传输标准并存的可能性较高，希望到那时用1台充电座即可对采用这些标准的各种设备充电。图27(d)为支持无线电能传输的蓝牙耳机(中央的透明圆筒中)，展示的系统同时还能为放在圆筒上的智能手机充电。

图27 WiTricity无线电能传输产品系列1Fig.27 Series 1 of WiTricity WPT products

此外， WiTricity还展示了在5号电池中嵌入薄膜状共振器进行充电的概念产品，如图28 (a)所示。只需将数码相机及遥控器等多种便携终端放入其中即可为其充电的充电箱如图28(b)所示。这两款概念产品使用的频率也是250kHz。通过在地板上铺设的地毯中内置共振器，由地板向照明等供电的系统如图28(c)所示。WiTricity与欧司朗西凡尼亚(OSRAM SYLVANIA)公司共同试制出了无电源线的吊灯式LED照明器具，如图28(d)所示。供电器嵌入天花板中，中继器和照明器具用细线悬吊着，因此不仔细看的话，照明器具看起来像是悬浮在空中一样。通过采用“中转”磁场共振的共振线圈等，可在基本不损失传输效率的情况下将供电器的电力传输距离延长至数倍。

图28 WiTricity无线电能传输产品系列2Fig.28 Series 2 of WiTricity WPT products

4 结论

在国内外专家多年努力之下，共振式WPT技术取得了许多阶段性的成果，在一些领域和产品方面也已有实际的应用，是一个具有广阔市场前景的领域。目前共振式WPT技术的研究在具体的非接触变压器的参数优化设计、系统参数变化对系统传输性能的影响、传输距离的延长与传输效率的提升等方面仍然具有很大的发展空间。

[1] 曹玲玲(Cao Lingling). 自激式非接触谐振变换器的初步研究(A preliminary study on the non-contact self-excited resonant converter) [D]. 南京：南京航空航天大学(Nanjing: Nanjing University of Aeronautics & Astronautics), 2011.

[2] 邓亚峰, 薛建国, 乔向杰, 等(Deng Yafeng, Xue Jianguo, Qian Xiangjie, et al.). 谐振式无线电能传输系统最大有效传输距离研究(Study on maximum effective transmission distance of electromagnetic resonant wireless power supply) [J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2013,32(2): 82-86.

[3] 赵争鸣, 张艺明, 陈凯楠(Zhao Zhengming, Zhang Yiming, Chen Kainan). 磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展(New progress of magnetically-coupled resonant wireless power transfer technology)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2012, 32 (10): 1-13.

[4] 李阳, 杨庆新, 陈海燕, 等(Li Yang, Yang Qingxin, Chen Haiyan, et al.). 无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析(Analysis of factors influencing power and efficiency in wireless power system) [J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2012, 31(3): 31-34.

[5] P Glaser. Power from the sun: Its future[J]. Science, 1968, 162(3856): 857-861.

[6] A Kurs, A Karalis, R Moffatt, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J]. Science, 2007, 317(5834): 83-86.

[7] Wenxian Chen, Qianhong Chen, Juntao Huang, et al. Analysis and research of distance transmission characteristics of magnetic resonance WPT system[A]. 2014 IEEE VTC[C]. Seoul, Korea, 2014 . 1-5.

[8] 傅文珍, 张波, 丘东元, 等(Fu Wenzhen, Zhang Bo, Qiu Dongyuan, et al.). 自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计(Maximum efficiency analysis and design of resonant coil coupling for wireless power transmission system)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2009, 29(18): 21-26.

[9] Siqi Li, Chunting Chris Mi. Wireless power transfer for electric vehicle applications[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, 3(1): 4-17.

[10] J P Barrett. Electricity at the columbian exposition [M]. Charleston, SC, United States: Nabu Press, 1894. 168-169.

[11] 杨庆新, 陈海燕, 徐桂芝, 等(Yang Qinxin, Chen Haiyan, Xu Guizhi, et al.). 无接触电能传输技术的研究进展(Research progress in contactless power transmission technology)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2010, 25(7): 6-13.

[12] Chi Kwan Lee, W X Zhong, S Y R Hui. Effects of magnetic coupling of nonadjacent resonators on wireless power domino-resonator systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(4): 1905-1916.

[13] Fei Zhang, Steven A Hackworth, Weinong Fu, et al. Relay effect of wireless power transfer using strongly coupled magnetic resonance[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(5): 1478-1481.

[14] B J Lee, A Hillenius, D S Ricketts. Magnetic resonant wireless power delivery for distributed sensor and wireless systems[A]. IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks[C]. Santa Clara, USA, 2012. 13-16.

[15] Jin Wook Kim, Hyeon-Chang Son, Kwan-Ho Kim, et al. Efciency analysis of magnetic resonance wireless power transfer with intermediate resonant coil[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, 10: 389-392.

[16] Takehiro Imura, Yoichi Hori. Optimization using transmitting circuit of multiple receiving antennas as for wireless power transfer via magnetic resonance coupling[A]. IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC) [C]. 2011. 1-4.

[17] 野泽哲生,久米秀尚(Tetsuo Nozawa, Kume Hidenao). Z方向自由度进一步提高，安装经验决定胜负(上)(Z direction to further improve the degree of freedom, installation experience to determine the winner (one)) [EB/OL]. http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/59353-20120106.html, 2012-01-13.

[18] 野泽哲生,久米秀尚(Tetsuo Nozawa, Kume Hidenao). Z方向自由度进一步提高，安装经验决定胜负(下)(Z direction to further improve the degree of freedom, installation experience to determine the winner (two)) [EB/OL]. http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/59356-20120106.html, 2012-01-16.

[19] 戴欣, 施惠, 孙跃(Dai Xin, Shi Hui, Sun Yue). LCL复合谐振型非接触电能双向传输模式研究(An LCL composite resonant-type bi-directional contactless power transfer mode)[J]. 西南交通大学学报(Journal of Southwest Jiaotong University), 2013, 48(3): 487-493.

[20] C B Teck, T Imura, M Kato, et al. Basic study of improving efficiency of wireless power transfer via magnetic resonance coupling based on impedance matching[A]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics[C]. Bari, Italy,2010. 2011-2016.

[21] Wai Man Ng, Cheng Zhang, Deyan Lin, et al. Two- and three-dimensional omnidirectional wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(9): 4470-4474.

[22] 蓬田宏树(Peng Tian Hiroki). 村田制作所开发出直流无线供电技术，提高系统传输效率(Murata has developed a direct current power wireless technology to improve the efficiency of the transmission system) [EB/OL].http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/63777-20121204.html, 2012-12-05.

[23] 根津祯(Nezu Zhen). 使用SiC MOSFET的车载充电器，用于无线供电系统(Using SiC MOSFET car charger for wireless power supply system) [EB/OL]. http://china.nikkeibp.com.cn/news/auto/72746-2014-11141432.html, 2014-11-17.

[24] 王全, 方恺, 李云辉, 等(Wang Quan, Fang Kai, Li Yunhui, et al.). 亚波长平面特异材料在无线能量传输中的应用(Application of subwavelength planar metamaterials in wireless power transmission)[A]. 2014无线电能传输技术及应用学术国际会议(The 2014 International Conference on Wireless Power Transmission Technology and Application) [C]. Nanjing, China, 2014. 35-40.

[25] Hugo Marques, Beatriz V Borges. Contactless battery charger with high relative separation distance and improved efficiency[A]. IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC) [C]. 2011. 1-8.

[26] Wenxing Zhong, Chi Kwan Lee, S Y Ron Hui. General analysis on the use of tesla’s resonators in domino forms for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 261-270.

[27] S Wang, Oskar H Stielau, Grant A Covic. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(5): 1308-1314.

[28] Chwei-Sen Wang, Grant A Covic, Oskar H Stielau. Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(1): 148-157.

[29] 侯佳, 陈乾宏, 严开沁, 等(Hou Jia, Chen Qianhong, Yan Kaiqin, et al.). 新型S/SP补偿的非接触谐振变换器分析与控制(Analysis and control of S/SP compensation contactless resonant converters)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2013, 33(3): 1-8.

[30] Y Su, C Tang, S Wu, et al. Research of LCL resonant inverter in wireless power transfer system[A]. International Conference on Power System Technology[C]. Chongqing, China, 2006. 1-6.

[31] 张献, 杨庆新, 陈海燕, 等(Zhang Xian, Yang Qingxin, Chen Haiyan, et al.). 电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究(Research on characteristics of frequency splitting in electromagnetic coupling resonant power transmission systems)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2012, 32(9): 167-173.

[32] 韩腾, 卓放, 闫军凯, 等(Han Teng, Zhuo Fang, Yan Junkai, et al.). 非接触电能传输系统频率分叉现象研究(Study of frequency bifurcation phenomenon of a contactless power transmission system) [J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2005, 24(2): 44-47.

[33] 李阳, 杨庆新, 闫卓, 等(Li Yang, Yang Qingxin, Yan Zhuo, et al.). 磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证(Analysis and validation on characteristic of orientation in wireless power transfer system via coupled magnetic resonances)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2014, 29(2): 198-203.

[34] K Sunkyu, K Myunghoi, K Kyoungchoul, et al. Analytical expressions for maximum transferred power in wireless power transfer systems[A]. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility[C]. Long Beach, USA,2011. 379-383.

[35] Yiming Zhang, Zhengming Zhao. Frequency splitting analysis of two-coil resonant wireless power transfer[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 42(13): 400-402

[36] 傅文珍, 张波, 丘东元(Fu Wenzheng, Zhang Bo, Qiu Dongyuan). 频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究(Study on frequency-tracking wireless power transfer system resonant coupling)[J]. 变频器世界(The World of Inverters), 2009, 13(8): 41-46.

[37] 强浩, 黄学良, 谭林林, 等(Qiang Hao, Huang Xueliang, Tan Linlin, et al.). 基于动态调谐实现感应耦合无线电能传输系统的最大功率传输(Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control.)[J]. 中国科学: 技术科学(Scientia Sinica Technologica), 2012, 42(7): 830-837.

[38] 浜田基彦(Hamada group Kazuhiko). AT Day再度确认EV开发的必然性，与会者纷纷提出充电电池使用新方案(AT Day reaffirmed the inevitability of EV development, participants have proposed a new scheme using rechargeable batteries) [EB/OL]. http://china.nikkeibp.com.cn/news/auto/50128-20100216.html, 2010-02-25.

[39] 鹤原吉郎(Tsuruhara Tokichiro). 三菱汽车展出HEV和EV的概念车(Mitsubishi Motors exhibited HEV and EV concept car) [EB/OL]. http://china.nikkeibp.com.cn/news/auto/65093-20130308.html, 2013-03-11.

Review and research progress of magnetic resonance wireless power transmission technology

CHEN Wen-xian1, CHEN Qian-hong2

(1. Nanjing Engineering Institute of Aircraft System/Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical system integration, Nanjing 211106, China;2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210027, China)

Compared to traditional contact charging, wireless power transmission technology has advantages on flexibility and reliability to use, and adaptability to environment, hence it attracts many experts and scholars to study it. In particular, the magnetic resonance WPT technology is of great value for the development of WPT technology because of its high transfer performance, and it will be an important direction in the field of WPT technology. The paper introduces the concept and classification of WPT technology, reviews the developing history of magnetic resonance WPT technology, generalizes the working principle, research development on key technologies and practical applications, and points out that the resonant network including non-contact transformer is critical to magnetic resonance WPT system.

magnetic resonance WPT; wireless power transmission; magnetically coupled; resonance

2016-02-20

国家自然科学基金项目(51077069)、 江苏省自然科学基金项目(BK2009372)、 高等学校博士学科点专项科研基金项目(20103218110013)

陈文仙(1990-)， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为无线电能传输技术； 陈乾宏(1974-)， 女， 教授， 博士， 主要研究方向为功率电子变换、 无线电能传输技术。

TM461

A

1003-3076(2016)09-0035-13