磁耦合谐振式无线电能传输的研究现状和应用

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722133

摘要：磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种高效非輻射能量传输的WPT技术。本文主要介绍了三种主流WPT技术的国内外发展现状，通过对磁耦合谐振WPT的原理介绍，对比三种WPT技术，阐述了磁耦合谐振WPT技术的应用广泛，并对其发展前景进行展望。

关键词：磁耦合谐振；WPT；高效非辐射

中图分类号：TM724文献标识号：A

随着社会的不断发展，无线电能传输技术越来越受青睐，由于无线电能传输是一种通过非物质媒介实现用电设备与供电系统之间能量传输的方式，它不受导线、电源插头寿命等限制，也可避免由于电路连接问题产生的电火花等，极大的方便了人们的生产生活。

1 无线电能传输的发展

1.1 国外发展现状

早在十九世纪九十年代，就有人提出了无线电能传输技术，但由于人类认知有限和技术能力不足，当时的理论只停留在构想阶段，无线电能传输也因此在很长一段时间无人提起。直到20世纪六十年代，由于社会格局的变化，政府开始对空间技术的发展构想，人们提出了建立空间电站的设想。故在1963年William C.Brown完成了第一个无线电能传输实验，它是利用电能转换的方式（即将直流电能转换为微波，并定点聚焦到接收器）实现能量的传输[1]。1968年Peter Glaste首次提出向太空发射太阳能发电平台，利用外太空太阳能发电卫星，先将太阳能转换为电能，并通过激光或微波形式将电能传输到地面上的接收装置，最终将微波能量转化为所需要的电能供人们使用[2]。但是由于成本、技术、辐射等原因，当需要远距离传输并且在比较空旷的场合，该技术的传输效率会很高[3]。

到20世纪90年代，新西兰奥克兰大学Boys教授[4]领导的科研小组开始对电磁感应式无线电能传输技术展开全面的研究，课题组提出了一套完整的电磁感应无线电能传输理论，从实验中分析该技术的传输效率、系统频率、系统稳定性等问题，使其能够用于多个领域。电磁感应式无线电能传输技术现在已经非常成熟了，利用这项技术研发的很多产品都已经应用于生产生活中，例如对电动汽车、电动牙刷、MP3或MP4、平板电脑、智能手机[5]等生活设备的充电。2015年1月，德国宝马公司研发了一款跑车宝马i8，这款跑车就是利用电磁感应式无线充电技术设计的。由此可见此项技术的应用越来越广泛。

而最早提出磁耦合谐振式无线电能传输技术已经是2006年11月，提出者是美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授[6]，随后的一年里，他领导的研究小组通过对谐振线圈的材质、相似度、半径、高度、距离等的研究，最终在2007年6月，他们以40%的传输效率将2.13m远处的60W灯泡点亮。由于磁耦合谐振技术属于中等距离电能传输，并且对人体不会产生较大的伤害，因此该技术相较于电磁波辐射无线电能传输技术和电磁感应式无线电能传输技术应用更加广泛。2010年9月Wi Tricity公司与德尔福汽车系统公司采用磁耦合谐振技术研发了对电动汽车充电的无线充电系统[7]。2011年Thuc Phi Duong等学者对系统的传输效率做出了一定的改进，实现的方法主要是改变发射和接收线圈之间的距离[8]。同年，Dukju Ahn等对中继线圈的数量、设置位置等所引起的系统传输效率变化进行了深入研究，并由此得到了系统传输效率的变化规律[3]。2012年日本利用磁耦合谐振无线电能传输技术实现了穿透式无线充电，并且传输效率高达90%。2013年之后，韩国、欧美等国家也相继建立了无线充电网络，为行驶中的电动汽车进行充电。2016年，美国橡树岭国家实验室实现了20KW功率下对电动汽车充电，电能传输效率高达90%，并且充电速度也是近于普通接触充电的三倍，这是无线电能传输技术中的一项重大突破，为以后的无线电能传输技术的发展打下了基础。

1.2 国内发展现状

在国内，无线电能传输技术起步较晚，2001年李宏教授最先对感应耦合式无线电能传输技术进行研究和应用，他首先对该项技术做出了系统的介绍，然后提出了该技术在矿用电力机车上的可行性报告[3]。接着，中科院院士严陆光和武瑛博士、浙江大学何湘宁教授及其团队、重庆大学孙跃教授及其团队、西安交通大学王兆安教授及其团队等分别感应耦合式无线电能传输技术进行了研究，目前该技术在国内也是比较成熟的。

而国内最早研究磁耦合谐振式无线电能传输技术的是2007年哈尔滨工业大学的朱春波教授实验室，他们通过对不同谐振中继线圈的对比，以及无线传感器的装备，提出了传输效率较高、传输距离较远的磁耦合谐振系统。华南理工大学张波教授领导的课题组设计了一套实时同步跟踪系统[9，10]。东南大学黄学良教授课题组研制出一种新型磁耦合谐振式无线电能传输样机以及由其应用于电动汽车输电网络的控制系统。天津工业大学杨庆新教授领导的课题组通过对谐振频率、耦合方式等的分析和仿真得到了系统的最佳传输距离和最大传输功率。重庆大学提出了无线输电网络，并对单一性传输和多点传输进行研究比较，并在2013年研制了国内第一辆利用该技术设计的无线充电电动汽车。随着社会的发展，国家对新能源汽车的支持，现在越来越多的科研单位、高校、企业参与磁耦合谐振式无线电能传输的研究。

2 磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理

磁耦合谐振式无线电能传输系统主要有两大系统分组成：电磁发射系统和电磁接收系统。电磁发射系统主要是高频激磁电路将工频交电流通过发射线圈使其产生谐振，从而产生高频电流，再由发射线圈产生高频磁场，将能量传送出去。电磁接收系统主要是接收线圈与高频磁场发生耦合，并使接收线圈发生谐振并产生感应电流，再通过整流、滤波，最后供给负载，从而实现电能的传输。

磁耦合谐振式无线电能传输的理论分析模型主要有三种：一是传统的电磁场理论；二是耦合模理论；三是等效电路理论。

3 应用和发展

磁耦合谐振式无线电能传输技术有传输效率高、中等距离传输、穿透性良好、容易实现等特点，因此在移动终端设备、电动汽车和医疗设备充电方面的应用前景很好。现在在很多国家已经建立了电动汽车充电网络，该技术也将在其他领域等到更大的发展。随着我国国民水平的提高、新能源意识的加强，电动汽车也将成为一种趋势，网络充电系统也将大力发展。

参考文献：

[1]Brown W.C. Experiments in the trasport ation of energy by microwave beam [C]. IRE Internationl Convention Record， 1964：817.

[2]Glaser P E. Power from the sun： its future[J].Science，1968，162（3856）：856861.

[3]龚兴磊.基于磁谐振无线电能传输的电磁机械同步共振系统研究[D].南京航空航天大学，2016.

[4] Kissin M.L.G.，Boys J.T.，Covic G.A. Inter phase MutualInductance in Polyphase Inductive PowerTransfer Systems[J].IEEE Tra nsactions on Industrial Electronics，2009，56 （7）：23932400.

[5]Villa.J.L，Llombarta，Sanz.F.J. Optimal de sign of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：2140 2149.

[6]Aristeidis Karalis，J.D. Joannopoulos， and Marin Soljacic. Wireless NonRadiative En ergy Transfer. The AIP Industrial Physics Forum，2006.1.

[7]袁伟.磁耦合谐振式无线电能传输距离特性研究[D].湖北工业大学，2016.

[8]Duong T P， Lee J W. Experimental Results of High Efficiency Resonant Coupling Wir eless Power Transfer Using aVariable Cou pling Method[J]. IEEE Microwave &Wireless Components Letters，2011，21（8）：442444.

[9]傅文珍，張波，丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究[J].变频器世界，2009（8）：4146.

[10]傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29（18）：2126.

[HTH]基金项目：[HT][HTK]西华师范大学2015年度校基金科

研青年项目，磁耦合谐振式无线电能传输的研究（项目编号：15D007）[HT]

作者简介：唐玲（1985），女，四川绵阳人，

讲师，研究方向：电路与系统设计，图像处理。