浅谈无线充电磁耦合共振线圈的应用与发展

周惠媛

（广东工业大学，广州510000）

1 引言

谈论无线充电技术的源头就不得不说一下它的鼻祖磁与电，我们知道从安培开始发现磁场，就意味着无线充电技术发展的可能性。随后，一些关于电磁学的物理实验和理论基础也逐步产生，比如：电磁感应现象、电磁场方程、电磁辐射、微波辐射原理等。随着人们对无限充电需求越来越膨胀，科学家们从来没有停止对它的探索。在距离现在一百八十年前，无线充电的概念首次被提出，在此之后，奥斯特、法拉第、特斯拉和马可尼等世界著名的科学家都先后在实验室中进行了潜心的研究。[1]在1893年的哥伦比亚世博会上，一位美国科学家Nikola Tesla和人们展示了他的无线照明灯。这位Nikola Tesla就是利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接下就点亮了一个灯泡。2007年美国麻省理工的教授Matin等人隔空点亮了一盏功率为60W的灯，而这盏灯距离电源有2米，且效率还达到了40%，在这之后世界各地越来越多的研究人员开始了无线充电的研究。

随着科技和社会不断的进步，无线充电有望为世界各地的人带来更多方便与自由。目前无线充电主要包括了四个形式：电磁感应方式、电场耦合方式、磁谐振方式和电波接收方式。对四种无线充电技术进行一个对比，电磁感应充电的有效距离太小，且充电效率太低，而磁谐振充电的距离、传输效率较高，所以这是无线充电技术的发展方向。[2]目前世界上受到关注最多的是磁场耦合式，使用电源侧的线圈产生交变磁场，从而使磁场耦合到负载侧的线圈上，来进行能量的传输，而这其中又可以根据是否发生了谐振分为感应式和谐振式。

本文将针对目前研究的最为热的MCR-WPT进行研究与进展的综述。从MAC-WPT的传输理论出发，具体说明目前国内外针对MCR-WPT的研究现状以及热点问题。最后在已有的研究理论上，简略讨论了其中还待研究的问题和发展趋势。

2 基本结构以及原理

MAC-WPT的线圈工作模式主要有2种类型，第一种是2线圈的第二种是4线圈的。利用2个谐振线圈来进行无线能量传输的结构，被称为MCR-WPT的2线圈拓扑结构。此外，为了进行电源的匹配和负载匹配，在文献[3]中在2个线圈的拓扑结构基础之上，又增加了2个感应线圈，自此电源线圈就与发射线圈隔离，而负载线圈则与接收线圈隔开。这是MAC-WPT的四线圈拓扑结构，这两种拓扑结构的图如图1所示。

电磁耦合共振式无线充电系统电路模型借助两个共振线圈进行能量无线传输。模型如图1a所示，图中，输入电压源电压为Uin，耦合共振线圈L1和L2，在高频磁场下的电阻为R1和RL，产生的电容分别C1和C2;RL为负载。若传输系统的角频率为ω，则初级，次级的阻抗为Z1，Z2。电磁耦合共振式无线充电系统电路模型借助四个共振线圈进行能量无线传输。模型如图1b所示，图中输入电压由Rsource和Vsource组成。耦合线圈图L1，L2，L3和L4，其中线圈之间的耦合系数为K12，K23，K34为了方便起见接下来我们将忽略线圈之间的交叉耦合。各个线圈在磁场下的电阻为Rp1,Rp2,Rp3,Rp4。所产生的电容为 C1，C2，C3，C4。Rload 为负载。

图1

为了能够更高效地传输能量，发射线圈和接收线圈的自谐振频率都设置为同一个频率使之共振，即为系统的谐振频率。文中所说的四线圈结构相比于两线圈结构，其优点就在于能够进行电源和负载的匹配，所以可以在很大程度上抵消掉一部分电源和负载对线圈的影响。

3 无线充电的应用

MCR-WPT技术既面临了很多挑战但又得到了广泛和深入的研究。目前应用于实际的系统中的MCR-WPT，主要包括植入医疗器械如无线充电在心脏起搏器中的应用，以及电动汽车充电等。再比如已经应用到小家电领域的无线充电技术，如：电动剃须刀、电动牙刷等；还有一些便携式电子产品：手机、电子书、笔记本电脑、电子手表等。

4 无线充电的发展以及还待研究的问题

无线充电技术虽然得到了一定的发展但在发展过程中仍旧存在一些棘手的技术问题。第一，充电效能不高。一旦距离稍微远了一点充电的效率就会急剧降低，这需要浪费大量的时间和资源才能完成充电，故而使用意义不大。第二，充电过程中的安全问题。大功率的无线充电设备会产生大量的电磁辐射，对身体健康造成一定的不良影响，同时也会对飞机、通信等产生干扰影响。第三，实用性方面。目前的无线充电技术还是只能需要固定在某个定点的位置才能实现，这并不方便故而实用性不高。第四，价格昂贵，由于无线充电技术目前还只是处于初步研发应用阶段，研究的成本较高，所以其研发的产品价格也相对高昂。

5 总结

本文分析了目前磁耦合谐振式无线电能传输技术的现状以及发展情况。综述了当前磁耦合谐振式无线电能传输技术的两种结构以及原理和无线充电在实际应用中遇到的一些问题等。并且在这些热点问题分析的基础之上，讨论了该项技术有待研究的问题以及发展趋势。无线充电技术的应用和发展是充电技术领域的一次重大突破。我们终于实现了不需要电源线，就能随时随地自由方便充电的梦想。可以看到，磁耦合谐振式无线电能传输技术正在得到深入研究。随着市场需求的不断扩张，以及我们的不断探索，相信无线充电技术将会迎来新一轮的发展与进步，在可预见的未来，该项技术将会有一个广泛的应用，并且将带动更长距离、更大功率的无线电能传输技术的发展。