无线输电技术应用发展概述

2022-05-25张金发张仙花陈学良

技术与市场 2022年5期

张金发，张仙花，陈学良

(中车长江运输设备集团有限公司科技开发分公司车辆研究所，湖北武汉 430000)

0 引言

无线输电技术是支持负载设备以非接触方式从电源取电的电能输送技术。按照实现原理大致可分为微波式、电磁感应耦合式以及磁耦合谐振式(磁共振式)。将无线电能传输技术应用在轨道交通领域中，替代现有接触供电方式，将供电系统中的电能转变为高频交变磁场，与放置于铁路货车底部的能量获取机构感应出同频交流电，然后通过电能变换装置转换后，为电机和辅助电源提供能源。非接触式无线供电系统解决了铁路货车无法从电网直接获取电能的痛点[1]。

1 发展历程及国外应用现状

1.1 无线电能传输技术发展历程

无线输电技术通过电磁场或电磁波将电能通过空间传播的方式输送到受电端，可实现低功率等级到高功率等级、近距离到远距离以及低频段到高频段的电能传输。根据传输原理的不同，主要包括长距离微波或激光无线输电技术、中距离磁共振耦合无线输电技术、短距离电磁感应耦合无线输电技术等。

早在1890年，美国科学家Nikola Tesla就设想了如何进行无线输电的模型。美国雷声公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)在20世纪60年代发明了整流天线，从而为无线电能能源输送项目开展实验室验证奠定了基础。经过长期的发展，在用10 kW微波输电装置时，可以成功点亮500 m外的LED。20世纪80年代开始，电磁感应耦合短距离无线输电技术开始被关注，并在电动汽车、便携式电子设备和植入式医疗电子设备等领域逐步应用。

1.2 无线电能传输技术国外应用现状

与此同时，该技术在交通运输工具、智能家居、医学植入电子器件、无线传感器、无人机、机器人、电力系统、水下应用等不同领域均有应用。

电动汽车、磁悬浮列车、高铁列车等交通运输工具属于磁共振无线输电技术。在大功率近距离需求领域的应用，功率等级一般为千瓦级到兆瓦级，传输距离在20 cm以内。日本东京大学(2009年)、美国Witricity公司(2010年)、日产公司、美国Qualcomm公司(2012年)等研制了千瓦级电动汽车无线充电系统。

无线电能传输的研究，目前除了集中在电动汽车方面，还定位于轨道交通、在线监测传感器供电、电力电子器件驱动及电力系统、人体植入器件、巡检机器人、无人机、智能家居以及水下应用等应用领域和场景。相信未来，无线电能传输系统的应用会拓展到越来越多的领域。

2 国内技术应用现状

国内无线输电技术主要有交通运输工具等大功率近距离应用、智能家居等中等功率中等距离应用、生物医学器件微小功率近距离应用、传感器小功率远距离应用和电力系统应用等。我国在无线输电技术与应用方面，国内的研究机构仍在朝着新的方向、新的高度不断探索。

2.1 技术研究

东南大学的MCRWPT技术理论率先提到了电动汽车无线充电技术，以及如何在线控制充电电压与功率的策略等，同时研制了相关的系列设备。2013年，成功研制了电动汽车的无线充电系统，在3 kW功率下实现30 cm传输距离内无线电能输送的目的。哈尔滨工业大学、武汉大学、重庆大学、天津工业大学与华南理工大学在无线输电技术方面也取得很大的进度，其输电距离与效率也得到了提升[2]。

2.2 产业化

有些城市的多条无线充电公交线路开始使用中兴通讯研发的汽车用大功率无线充电系列产品；2014年起，海尔公司研发的涵盖了家电、数码、汽车等多个领域的无线产品在多处铺设了公共无线充电热点。2020年，WiTricity公司与中国一级供应商也积极展开合作，协助它们设计并实现符合中国国标的系统。目前，浙江万安科技股份有限公司(万安)和安洁无限科技(苏州)有限公司(安洁)已获得 WiTricity 公司的技术和行业领先的设计授权，其中包括了异物检测、位置检测和通信等关键辅助功能。

虽然我国电动汽车、智能电子、电能输送和高速列车等领域的WPT技术研究在理论层面已达到或接近国际先进水平，而且一部分研究成果已经达到世界领先水平，但工程实践相对较少，产业化的进程与国外存在差距。

3 无线供电在轨道交通领域的研究情况

目前无接触网电能输送系统(又名无线供电)主要有4种模式：电磁吸附式供电、地面接触轨供电、车载储能式供电以及无线电能传输(Wireless power transfer，WPT)系统供电。上述供电方式，更好地满足了现代城市景观美化和供电安全双重保证的要求。阿尔斯通、西门子及庞巴迪等国外轨道交通车辆先驱者深入开展了无接触网电能输送的研究与实践[3]。

电磁吸附式供电在意大利安萨尔多公司的Tramwave系统中使用地面电源被磁力吸引并与车辆接收装置接触以将电力引入车辆。该供电系统在车辆离开有源轨道时，其电源模块立即掉落，电源同时断开。虽然确保了乘客的人身安全，但设计与制造难度大，且制造成本较高。

地面接触轨供电应用在法国阿尔斯通APS系统中，当车辆通过该供电系统的供电轨区域时，瞬间闭合该区间所对应控制设备的供电开关，使得需要供电的车辆与供电设备接触，而剩余的供电轨一直是接地的状态，从而保证了行人安全。但该系统存在基础设施建设费用高、对设备环境要求高等缺点。

超级电容(或超级电容与蓄电池混合)供电在德国西门子的Avenio技术中使用。该模式主要采用了电池等车辆用电能存储装置(例如蓄电池等)，取代地面电源设备对运行车辆提供实时电力的形式，从而避免了车辆上部电能输送接触网对城市美化、美观带来的不利影响。但该系统存在电能存储装置采购价格高、自重大、空间需求大和单次充电时间过长的问题。

WPT系统供电在加拿大庞巴迪公司的Primove系统中使用。该模式一般采用在车辆运行线路沿线铺设电磁感应线圈的方式。车辆运行过程中，这些电磁感应线圈的输入端输入高频交流电，采用电磁感应原理，在合适距离内将电能传递到接收端。电能被车辆接受后，再通过整流、直流调压等转化设备，得到一种可被车辆利用的电能为车辆供电。

以上4种模式中，虽然电磁吸附式和地面接触轨供电模式对城市美化、美观带来的消极影响小，但是存在接触供电安全及成本高等缺点。车载储能式供电模式的使用里程基本是固定的，须定时充电才能继续行驶，同时也需要考虑车载能量存储装置的充电方式。WPT系统属于非物理接触式电能传输模式，能很好地克服传统接触网式供电的缺点，而且WPT系统中的供电设备能伪装成城市景观的一部分，对城市美化、美观带来的不利影响小，因此，WPT技术在国外的轨道交通领域中得以快速应用。无线输电技术在轨道交通上应用数据如表1所示。