无线电能传输技术国内外研究综述

钟睿哲，李雷远，刘 刚，任国芳，张长江，张 震，吴 娱

（北京邮电大学 世纪学院，北京 102101）

1 引言

无线电能传输（wireless pοwer transfer，WPT）技术具有方便、安全、灵活性高和环境适应性强的优点，在电动汽车、航空航天、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。WPT技术近几年来受到了国际和国内学者的广泛关注，未来具有明确的实用价值和广阔的应用前景，可以带来显著的经济和社会效益，技术也逐渐发展成熟。

对WPT技术国内外的研究现状进行了综述。如今国内研究基本上应用于大方向，对于磁耦合谐振式无线电能传输技术（MCR-WPT）和无线电能传输技术如何提高传输效率和高电压传输领域进行了研究。国外的研究涉及各个领域，应用也十分广泛，如机器人、电动汽车、磁悬浮列车、无人机等等。论述了WPT系统的设计，为进一步研究提供了有益的理论参考。

2 国外研究现状

MCR-WPT是WPT系统中的一个重要研究领域，由于MCR-WPT具有适用于中距离传输、传输效率高、供电相对安全、传输功率大等特点，很快成为了WPT系统中的研究热门。文献[1]通过分析耦合系数对系统传输效率的影响后，提出了一种双向螺旋线圈（DTSC）的设计方法。该方法通过缩小系统的频率分裂区域，达到了提高系统的短距离传输效率的目的。同时分析了双向螺旋线圈的内外半径、匝数和节距对无线电能系统效率的影响。文献[2]推导了在不同角偏转和横向偏转时有关于传输效率变化的数学公式，研究角偏转和横向偏转对传输效率的影响，从而得到了传输效率随角度失调和侧向失调的变化规律。文献[3]通过综合分析径向间隙和线圈半径，推导了径向间隙与线圈半径之间比例的关系式，找出其对WPT效率影响的规律，并验证了轴向距离对该比例的影响最大比值。文献[4]提出具有负磁导率的螺旋超导超材料，用于利用磁耦合谐振实现高效的WPT。通过分析超导超材料对效率提高的影响，确定了超导超材料的最佳位置，并且验证了超导超材料通过增强倏逝波耦合，可以显著提高系统的传输效率，且具有较低的损耗性能。文献[5]提出了一种结合超表面的可植入式MCR-WPT的设备，可以用于生物领域，分析了负磁导率超表面的性能及其对WPT效率的影响。最后，通过实验测试验证了与负磁导率超表面的MCR-WPT系统的高效性。

而目前有很大一部分是基于WPT传输效率和安全性能所做的研究。文献[6]由于无线电能存在停电的问题，所以采用自适应粒子群优化（SA-PSO）的资源分配算法，WPT的功率和传输时间的联合优化应对电能中断的问题。文献[7]针对WPT经常受到基站与WPT终端天线辐射方向和天线极化失准的问题，提出了一种解决方法对天线进行对准。文献[8]根据有效非对称电感环（IL）的初级线圈具有高品质因数，它的工作范围在自激振荡频率（SRF）以内的特性。由此推出适用于自激振荡频率中的高品质因数（high-Q）的方法。文献[9]就辐射WPT使用相同的频谱或硬件所导致接收能量和传输数据不能同时进行的问题进行了研究，并研究了无线设备何时采集能量、何时发送数据以及使用何种传输速率的问题。使在点对点信道上传输数据包序列时的延迟最小化，以获得最优传输功率。文献[10]在双源无线供电系统为移动电子设备充电时，为了获得接收线圈与发射线圈之间的实时互感，提出了一种主要参数（电流和电压）的检测方法，替代接收端与发射端之间的无线通信。文献[11]介绍了一种均衡电池电压方法，由于多接收机WPT系统具有节省空间、易于实现、提高安全性等优势，将其替换现有的多绕组变压器，并进行了性能分析。文献[12]中针对串联式补偿WPT系统，提出了一种离散滑模控制（DSMC）的方案，以便快速地实现最大能量效率（MEE）的跟踪和输出电压调节，实现成本较低，而且不存在通信延迟，从而增强了控制性能。文献[13]中提出了一种新方法，基于可重构的磁谐振结构，实现了高能量效率。此方法的基本原则是创建一个以上的有效负荷曲线。WPT系统被控制在可重构电路的能效曲线的顶部区域内运行，这样就可以在非常广泛的负载范围内实现高效率的传输。文献[14]将印刷电路板（PCB）型混合超材料板（HMS）相结合，可以在提高功率传输效率同时减少高感应电磁场的泄漏。文献[15]提出开关键控的新方法，在不使用dc-dc功率转换器的情况下实现高效率运行，降低了平均开关频率和开关损耗。文献[16]发现使用高增益天线可以提供更高的功率，在低功率密度环境下射频功率采集。提出一种行波阵天线（GAA），其在广角范围内具有良好的灵敏度和有效性。文献[17]提出了可以进行大动态范围RF-dc转换的新型整流阵列，并且研究了该整流阵列电路的三种不同应用，包括同类型二极管设计的双二极管整流阵列、不同类型二极管设计的双二极管整流阵列和不同类型二极管设计的三个二极管的整流阵列。文献[18]针对WPT中存在对人体有伤害的电磁危害（EMH），提出一种划分有害无害区域的方法。文献[19]中阐述了电能通过多个电源多次传输电能，导致该系统效率的低下和成本高昂的问题，由此提出、分析和控制一种新的基于电流直接馈电于ac-ac变换器的方法去控制感应式无线电能传输功率变换器的拓扑结构。

由于目前WPT技术相对成熟，所以在具体的应用中被广泛使用。文献[20]在磁悬浮列车的应用中使用共振强耦合方法，弥补导线和连接节点不可避免地会造成较大的热损失，并且研究了在不同尺寸的Rx线圈阵列下，多Tx和多尺寸的单Tx线圈的传输效率和冷却成本，最后采用氮气蒸发法对长单天线阵和多天线阵下不同尺寸高温超导接收机的冷却成本进行了评估。文献[21]在插入式混合动力电动汽车（PHEV）充电应用中，对不同类型无线充电器拓扑结构的应用进行了详细分析。文献[22]提出了一种用于无线电动汽车充电的多用途隧道磁阻（TMR）传感器组成的矩阵，该传感器不仅可以监测充电状态，还可以检测线圈未校准的问题和金属物体。文献[23]提出了一种新的拓扑可重构电容补偿网络，旨在实现多电动汽车无线充电的能量加密，即可以在减少电容数量的同时显著扩大电容的补偿范围，从而有效提高多目标无线充电系统的安全性能。文献[24]主要针对动态和准动态两种类型的无线充电电动汽车进行研究，分别是在行驶中充电和在临时停车时充电，并且对充电设施如何配置等问题的研究现状进行了综述，其中包括对成本效益的分析、计费和定价，以及其他相关配套的业务和设备。文献[25]针对于动态充电在低速中的应用场景提出了一种优化效率的方法，在调节输出电压的同时还可以提高系统效率，还提出一种电流控制的优化方法，在接收机沿轨道运动的过程中，同时动态地调整发射电流的方向和比例。文献[26]综述和比较了可提高车辆到电网（V2G）和电网到车辆（G2V）功率的各种双向ac-dc和dc-dc变换器拓扑结构，还讨论了V2G应用中包含的各种类型的充电器/充电器系统，如集成/非集成和导电/感应等，并根据提出的一些进行比较的标准。文献[27]针对无人机运行时间短的问题，设计了一种最佳的耦合结构和参数构成的非对称耦合WPT系统，有效地提高了无人机的充电性能。文献[28]提出了一种对于工业机器人弹性关节可以多方面全状态跟踪控制的实用方法。采用奇异摄动法进行推导，通过两个解耦控制回路，一个控制偏转误差的快回路和一个在链路层上跟踪控制的慢回路，实现对机器人弹性关节多方面全状态跟踪控制。文献[29]针对海水中的无线电能传输系统不可避免地会由于涡流损耗而造成能量损失的问题，提出将两个发射线圈对称地放置在接收线圈的两边一个线圈结构，从而提高电能传输效率。文献[30]利用麦克斯韦方程组建立了在海水中无线电能传输系统失调时涡流损耗的解析模型，并推导了电场强度和涡流损耗的理论表达式，最后分析了在不同程度失调时的涡流损耗。

3 中国研究现状

中国对于MCR-WPT目前的研究大多都是基于硬件的研究，以提高传输效率。文献[31]通过对ZVS型E类逆变器建模分析，得出其额定最佳工作状态下的输出功率与设计参数、负载间的关系，从而给出电源适应于负载的高效率MCR-WPT系统设计方法。文献[32-33]根据系统发射线圈上的电流随负载变化会引起传输功率和效率变化的问题，采用集成式LCC补偿拓扑，并且通过分析负载和耦合系数对谐振元件的电压电流应力的影响，提出了谐振元件参数优化的方法。文献[34]结合谐振无线电能传输系统的特点，指出了高频逆变器的设计难点，对应用于MCR-WPT系统的高频逆变器类型进行了系统的梳理和归纳，并且提出了高频逆变器参数设计和元件选型方法，为谐振无线电能传输技术的发展提供了技术依据。文献[35]针对MCR-WPT的4线圈模型中线圈匝数对系统传输功率的影响，通过建立系统模型，利用电路理论计算得出系统的输出功率公式，并使用MATLAB软件仿真分析了系统的输出功率曲线，最后得出了结论。

中国利用WPT技术，通过尝试各种可行的方式提高传输效率。文献[36]研究了基于距离检测的自适应MCR-WPT系统。采用耦合模理论、E类功率放大器、高品质因数、高集成度谐振体、超声波传感器、FPGA处理器和直接数字频率合成技术，基于专家控制算法提出频率自适应调节方案以提高传输效率实验，结果表明在频率分裂距离内，相对于固定频率，提出的方案明显提高了传输效率。文献[37]为降低WPT系统工作过程中对电网的谐波污染，提出了一种采用三相单开关Bοοst电路的有源功率因数校正控制方法，利用三相单开关Bοοst电路的输出特性和串联谐振电路的阻抗特性规律，对系统在变耦合系数情况下的工作点进行校正，实现了较高功率因数输入和相对高效率的输出。

中国在一些应用领域也有所建树。文献[38]针对WPT技术在高电压领域的应用进行了研究，介绍了磁共振式WPT技术的特点，建立了带有中继线圈的共振无线传输系统的数学模型，并通过分析复合绝缘子的特点，创造性地提出了一种基于复合绝缘子的WPT装置，提供了一种绝缘子内嵌线圈的设计思路，并进行了实验验证。文献[39]对双LCL型WPT系统逆变器输出电流存在畸变提出改进方法进行运用，并从理论上分析了改进方法的工作原理以及可取得的良好效果。

4 国内外研究差距

由于中国在WPT领域的研究起步相对于国外来说比较晚，所以目前国内的研究基本上应用于大方向并没有完全进入一些子领域，而国外正在快速地向全领域迈进。在本文中写出了部分国内研究的方向，可以明显地看出，国内的研究目前还只限于理论阶段与实验室阶段，在国外电动汽车、可再生能源等子领域并没有涉及到，暂时还没有十分成熟的产品。相比而言国外的研究较为广泛，由于国外对于WPT起步较早，并且早在1980年前后就出现了一些基本的使用WPT的应用产品。目前，国外的WPT技术已经展开手脚，面向于各个领域，如电动汽车、无人机等等，并且致力于可再生的新能源，在当代的各类新生产品进行了广泛的应用，并且目前国外的研究已经涉及到了安全性和在各个复杂环境之中如何进行电能传输的问题。国外在节约能源、安全性、传输效率、在各种环境中的应用和针对于目前环保问题高速发展的电动汽车等领域有所建树。

5 总结及其今后研究趋势

目前国外的研究涉及各个领域，应用也十分广泛，如机器人、电动汽车、磁悬浮列车、无人机等等。并且对于电动汽车进行了大量的研究，涉及电网（V2G）系统、可再生能源（太阳能和燃料电池）。国外的研究普遍对超材料进行了运用，在有效地提高传输效率的同时还可以降低电磁场的泄露。如今国外有很大一部分都是在对电能传输中的一些子领域进行研究，如天线对准、应对电能中断、安全性、最大能量效率（MEE）的跟踪和输出电压调节等问题。在水下WPT领域也开始进行理论方面的研究，为复杂环境下WPT系统的设计和进一步研究提供了有益的理论参考。而中国研究基本上应用于大方向，对于MCR-WPT和WPT技术如何提高传输效率和高电压传输等领域进行了研究。其中对于MCR-WPT技术有广泛的研究与应用。目前，中国研究着重于提高传输效率，以此为基准进行研究。

今后的研究方向趋势还要以提高传输效率、节约成本、以人为本为前提。现在每个新技术的共同研究方向，都是围绕节约能源和开发可再生能源两个方面进行的，今后的研究方向趋势可能会围绕太阳能和燃料电池两方面。可再生能源集成到电动汽车充电/放电基础设施中的应用。基于各类新兴产业中的应用。以及对电磁伤害的安全性进行研究，达到无伤害或者少伤害，在水下的环境中如何高功率地进行WPT的研究，如水下运载工具的应用。并且可以推测，随着研究的不断深入，人们对于无线充电的便携性和多样性的需求也会不断提高，以及一些高精尖领域也会被开发，例如航空航天领域。