无线电能传输（无线电能传输技术应用研究现状与关键问题）

　　无线电能传输（无线电能传输技术应用研究现状与关键问题）自美国MIT研究团队于2007年公开发表对无线电能传输技术的研究成果以来，国内外专家学者从科学问题和关键技术两方面进行了广泛且深入的研究。伴随着难点问题的突破，无线输电作为一种新型电能传输方式所辐射的领域不断增多。
　　省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室的研究人员薛明、杨庆新、章鹏程、郭建武、李阳、张献，在2021年第8期《电工技术学报》上撰文，首先对无线电能传输技术的分类和组成进行简要介绍；其次着眼于国内外10余年来，该技术在家用电子设备、智能家居、医疗器件、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航天八大领域的应用，重点阐述该技术的应用水平和目前在不同领域中存在的难点问题；再次从文献和专利两方面对比分析国内外该技术的研究成果；最后总结了无线电能传输技术在各领域实际应用中的关键共性问题，并分析无线电能传输技术产业化发展现状。
　　自从人类学会用电，便与电密不可分。如今，人们生活中电气化程度越来越高，电能的应用越来越多。传统电能传输普遍采用金属导线和电缆线等传输介质，其在电力传输过程中不可避免地会产生传输损耗、线路老化、尖端放电等问题，从而为一些易燃、易爆场景的供电设计带来困扰。
　　无线电能传输作为一种新型的电能传输方式有效地避免了＂不宜、不易＂使用导线供电场景中的诸多弊端，提高了供电方法的自由度，拓展了人们对电能传输方法的想象。
　　经过多年发展，无线电能传输技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航空航天八大领域快速应用，并正向更广泛的领域渗透，部分技术研究成果已成功实现产品化与产业化。无线电能传输技术简介
　　无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology, WPTT）于19世纪中后期首次被著名的电气工程师尼古拉•特斯拉提出，它是一种借助于空间无形软介质（如电场、磁场、声波等）将电能由电源端传递至用电设备的一种传输模式。这种传输方式与传统利用电缆线输送电能的方式相比更加安全、便捷和可靠，被认为是能源传输和接入的一种革命性进步。
　　1 无线电能传输技术分类
　　随着无线电能传输技术理论研究的深入与发展，科研工作者面向不同的应用场景和实际问题，不断提出与无线电能传输技术相关的新名词和新概念。本文通过查阅现有文献资料，将无线电能传输技术按能量传输机理和能量收发端耦合空间位置变化两种方式进行分类，图1为无线电能传输技术分类框图。
　　图1 无线电能传输技术分类框图
　　2 磁耦合式无线电能传输系统简介
　　目前无线电能传输方式中，理论研究较多且应用进程较快的主要为磁耦合无线电能方式。目前已有文献资料从能量传输原理分类的角度对磁耦合无线电能传输系统构成进行了详细的介绍，本文从能量收发端耦合空间相对位置是否变化的角度进行阐述。
　　01 静态无线充电系统
　　静态无线充电系统以电磁场为原理，高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和静止负载为电能流通主路，集成检测、通信、控制和保护电路，收发端依靠高频电磁场实现为静止负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居和医疗器件等功率需求较小以及电动汽车和工业机器人等大功率能量传输场景。图2所示为电动汽车静态无线充电系统结构。
　　图2 电动汽车静态无线充电系统框图
　　02 动态无线供电系统
　　动态无线供电系统是以电磁场为原理，高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和移动负载为电能流通主路，集成检测、传感、通信、控制和保护电路，收发端依靠高频动态电磁场实现为移动负载实时供电。
　　其与静态无线电能传输系统相比，原理采用感应耦合与电磁谐振协同工作方式，最大差异在于电磁耦合系统结构设计、补偿拓扑和控制策略方面，并且动态供电系统在系统复杂程度、技术成熟度以及建造经济性等方面均需要进一步提升。
　　该系统主要应用于高铁列车、有轨电车和电动汽车等场景。如图3所示为电动汽车动态无线供电系统结构示意图。这种供电方式可保证移动受电体实时获取电能，有效避免了电池续航能力弱和充电时间长的弊端，同时也极大地减轻了受电体的质量。
　　图3 电动汽车动态无线供电示意图
　　03 准动态无线电能传输系统
　　准动态无线电能传输系统构成与静态无线充电系统类似，其技术成熟度介于静态系统与动态系统之间，主要应用于移动受电体（有轨电车或电动汽车等）缓慢移动或短暂停车（如交通灯路口）时为车载储能装置充电。与传统的动态无线传输系统相比，简化了系统控制复杂性，降低了基础设施成本，并能够使发射端和接收端磁场耦合度高，从而实现能量高效传输。无线电能传输技术应用水平与重点问题
　　随着无线电能传输技术在诸多领域的快速应用，本文通过查阅10余年来国内外研究成果，阐述了目前该技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、交通运输、工业机器人、物联网、水下探测设备和航空航天八大领域的应用水平，并对各领域中待突破的难点问题进行了总结，表1为该技术在不同应用领域对比分析。
　　表1 本技术在不同应用领域对比分析
　　1 家用电子设备与智能家居领域
　　无线电能传输技术最早应用于电动牙刷、智能手表、MP3和手机等电子设备领域，其充电采用静态感应式无线充电方式，由于电子设备的体积较小，线圈结构优化设计、屏蔽方式和电能变换集成化芯片是主要研究方向。
　　目前，针对电子设备的小功率无线充电技术已经成熟，充电标准主要采用无线充电联盟（Power Matters Alliance, PMA）标准和Qi标准。无线充电产品中电能发射端与接收端尺寸在2～10cm，传输距离一般在mm级，并且硬件可通过软件更新实现兼容。
　　可量产的线圈结构包括HQ-S（单线圈）、HQ-D（双线圈）、HQ-F（四线圈），以及HQ-O（16线圈）等，并且搭载了专用异物检测线圈，可检测直径小于15mm的标准异物和任何金属零件，其中，16线圈支持自由位置、15W快充和多设备同时充电。
　　此外，接收侧采用的无线充电芯片可兼容多种无线充电标准，自动识别发射端充电协议。2019年，全球航空航天、国防等行业先进技术的主要供应商Astronics公司，宣布推出一款可用于商务飞机为乘客的智能手机和其他设备进行无线充电的充电器，这款15W的充电器已被空客、波音公司采用。航空客机搭载的无线充电模块如图4所示。
　　图4 航空客机搭载的无线充电模块
　　感应式无线充电技术，适合短距离无线充电，充电效率可达95%以上，但在空间自由度上存在劣势。磁耦合谐振式充电在水平面积和充电垂直距离方面拥有更高的空间自由度，但是传输效率低、成本较高。
　　在智能家居领域，无线电能传输技术在产品的智能化中具有重要地位，它改变了传统上通过插、拔电线使用电能的方式，改善了空间环境和用户体验，其主要采用静态感应耦合方式实现无线充电。
　　针对感应式中功率等级下的具体应用场景，科研人员从不同角度进行了大量研究工作，在理论上取得了诸多可应用于产业化的成果。
　　海尔集团作为中功率等级下无线电能传输技术在智能家居领域成果转化的领先者，近年来不断推出了诸多可产业化的产品。例如，2010年的世界首台＂无尾＂电视、2012年的＂无尾＂厨电产品以及2016年推出的可用手机APP控制无线充电的卫玺无尾智能马桶盖。
　　无线电能传输在智能家居领域具有巨大的前景，Wireless Power Consortium在2019年3月表明正在编写其用于厨房电器的新无线电源标准Ki。此外，科研工作者正在研究采用微波无线供电方式同时给家庭中无线鼠标、手机、计算机、台灯和加湿器等电器进行无线供电的技术。
　　综上所述，目前无线电能传输技术在电子设备领域主要还是以静态感应式供电系统为主，并已经取得诸多可产业化的产品，部分产品已经进入电子商品市场，但具备高空间自由度的充电升级产品还需进一步研发。
　　在智能家居领域亦是由静态感应式无线充电系统占据着主导地位，技术比较成熟，已经具有商业化的能力，但由于存在家电负载功率等级跨度大、拾取端位置与负载功率需求随机性大、效率要求高等问题，因而在研究中对工作频率、原边谐振电流及负载输出电压的近似恒定、效率优化等方面还需进一步优化。
　　2 医疗电子设备领域
　　无线电能传输技术应用于植入医疗器械，医疗传感器如胶囊内镜等医疗电子设备领域，可有效解决患者利用手术更换电池蓄能的问题。
　　2003年，日本RF公司采用该技术研制出植入式内窥镜生物遥测系统，以色列、韩国以及欧洲随之相继推出了相应的实物产品。2005年，日本的Masaya Watada与韩国的Y. Um提出了对人工心脏进行无线电能传输的设想。
　　2008年，美国匹斯堡大学将无线电能传输技术应用于体内植入器件，并在空气、人体头模型及猪活体中进行实验研究。2013年，香港城市大学针对视网膜假体的应用中线圈失调引起的弱磁链将严重影响功率效率的问题，提出了一种新型的高偏差容差接收机结构。
　　2017年，麻省理工学院科学家在已研制的采用外部来源进行无线充电的耳蜗植入物基础上，提出采用中场耦合的新技术，与近场耦合相比，工作频率与耦合效率获得较大提升，并通过实验成功利用位于猪体外的发射器将电力传送到位于猪食道、胃和结肠内的三个接收器，传输的电力水平分别为37.5ìW、123ìW以及173ìW。
　　此外，马来西亚大学提出了一种用于机器人胶囊内窥镜的优化电感耦合WPT系统。印度浦那NBN Sinhgad提出了一种基于磁谐振耦合的可穿戴起搏器无线供电系统。清华大学提出了一种具有自动功率调节功能的植入式医疗设备的无线功率传输系统。
　　无线充电技术在医疗电子设备领域研究初期均采用静态感应耦合方式，要求发射器和接收器距离较近，适用皮肤下方的植入物充电，而不适用于消化道深处的小型电子产品。
　　2014年，斯坦福大学研究院在美国《国家科学院学报》上发表了一种可以为植入人体内的医疗器械进行无线充电的新技术。该技术可为仅有米粒大小的医疗电子设备进行充电，且能够更＂深入＂地植入人体内，长久地获得电能输送，甚至不需要电池储能，只需将电源靠近皮肤就能给体内的设备供电，如图5所示。
　　图5 仅有米粒大小的医疗电子设备
　　2018年，Cambridge Consultants公司针对人体可植入设备充电提出了MagLense无线充电系统的概念，该系统具有形状独特的柔性线圈，能够弯曲变形，适用于人体任意部位的植入设备。
　　综上，目前无线电能传输技术在医疗电子设备领域，皮肤下方的植入物静态感应方式无线充电比较成熟，消化道深处电子产品的静态谐振方式无线充电还处在研究初期。该领域的研究难点在于不给生物组织造成损伤的安全功率范围内，接收器尺寸微型化、电路结构集成化、材料生物兼容性等问题。
　　3 交通运输领域
　　近年来，以电能为动力来源的交通工具得到快速推广，无线电能传输技术作为一种新兴的电能传输方式，已成为国内外科研机构以及各大车企的研究热点。其原理主要采用感应耦合式和磁耦合谐振式，两种方式可在功率等级、系统损耗、传输距离等方面差异形成优势互补。
　　01 电动车辆
　　电动车辆应用无线电能传输技术蓄能，在灵活性和安全性等方面优势明显，在一定程度上促进了电动车辆的发展。目前，对静态无线充电与动态无线供电系统，研究人员在理论研究和技术应用等方面取得诸多进展，但距离成熟可产业化推广的采用无线蓄能的电动车辆依旧面临巨大挑战。
　　1）电磁耦合系统
　　在静态无线充电和动态无线供电系统中，电磁耦合系统是决定整体能量传输效率的重要部分，它包括补偿网络拓扑、耦合线圈和电磁屏蔽三部分。
　　补偿网络拓扑由电感和电容元件的串联或并联组成，用来调节电磁耦合系统收发端参数，使之与线圈电感发生谐振，从而减低无功、提高传输效率和改变传输特性等。
　　串串、串并、并并和并串是目前已有文献中研究较多的四种拓扑结构，其中，串并/串谐振补偿拓扑结构，在全负载范围内具备接收端输出恒压特性。一次侧失谐的SS补偿拓扑，具有较强的抗偏移能力且不存在轻载安全问题。
　　此外，在基本补偿网络基础上衍生出一些具有更佳性能的补偿网络。LCL谐振补偿网络结构，通过调节网络参数可实现恒流充电模式与恒压充电模式的自动切换，传输效率可达到92%。
　　在LCL拓扑网络基础上，衍生出了LCC拓扑，经证明，双边LCC拓扑网络可解决双边LCL拓扑网络传输功率偏小和直流磁化等问题，并在双向电动汽车无线充电应用中具有较强的适用性。有学者提出S/CLC补偿拓扑可实现恒压输出、零输入相位以及零电压开关，并且最大输出功率不受耦合参数限制。
　　耦合线圈是实现能量传输的核心元件，在静态充电系统中，基于能效最优的耦合线圈材料、形状、尺寸和匝数等参数优化是目前已有文献中主要的研究方向。
　　有学者选取利兹线绕制方形耦合线圈，并采用了Z型串联结构，在最优工作频率为55kHz时，传输距离在8～15cm内，系统最高传输效率可达85%以上。
　　有学者则采用螺线管来绕制耦合线圈，并增加了耦合线圈的匝数，其系统在7kW的功率等级，传输距离16cm下，效率可达93.8%。此外，有学者对DD型能量发射线圈，BBP、DDQ型能量接收线圈进行了研究。
　　与静态充电相比，动态供电系统较为复杂，主要体现在发射线圈的结构与工作线圈的切换。集中供电导轨和分段供电导轨结构是目前发射端主要供电结构，前者根据磁心形状线圈可绕成E型、U型、W型、I型、S型和dq型。
　　其中，E型、U型和W型是研究较早的三种结构，主要集中在传输参数的优化；dq型双向供电导轨结构可有效解决受电体受电过程中的耦合系数为零的情形；I型和S型结构为双极性磁心，能量耦合路径沿受电体移动方向，提高了横向偏移容忍度和传输效率，同时在建造难度和经济成本方面具有优势。
　　分段供电导轨一般采用多线圈单元并行连接切换供电方式，可显著降低系统损耗，但对检测和控制系统的灵敏度、稳定性和可靠性具有很高要求。有学者针对系统传输的稳定性，提出了利用基于磁场强度检测的接收端定位策略（测量周期为6ms，分辨率为5mGs）的分段导轨结构，与单初级绕组系统相比，功率提升25%，效率提升7%。
　　对于分段供电导轨的切换问题，学界从不同的方面进行研究，有学者针对分段式动态无线充电系统的原边线圈链供电管理的需求，提出了一种基于副边主动激励的具有分散控制逻辑的接力方法，在实验中，当原边直流电源供给功率约为50W时，系统传输效率为72%。有学者则针对快速切换导轨时可能出现的过电流、过电压等问题，提出一种基于能量自由振荡模式的电动汽车无线供电导轨切换方法，实现了供电导轨的软切换。
　　电磁耦合系统中的电磁屏蔽主要是将电磁能量交换路径束缚在耦合线圈间，从而最大限度地减小漏磁，提高传输效率。
　　从屏蔽材料看，有学者通过有限元计算和实验验证了耦合机构外加铁氧体屏蔽后，传能区域内的磁场被约束在发射耦合机构与接收耦合机构之间，提高了传输效率，其设计的带有铁氧体屏蔽结构的传输系统在传输距离为0.40m，轴向偏移0.3m，功率从200W增加到2 500W情况下，效率稳定在80%左右。有学者提出了一种铁磁性和非铁磁性混合材料制成的屏蔽结构，其实验传输系统在56kHz、传输距离6cm时，系统传输效率稳定在72%，仅装有铝板的系统效率只有2%。
　　从屏蔽结构看，有学者设计了一种拼接式的电磁屏蔽结构，与整体平面型相比具有更佳的屏蔽能力且易制造和安装，采用该结构的传输系统效率为90.94%，功率可达1297.69W。有学者提出在能量发射装置水平侧加屏蔽带的屏蔽结构，该结构可有效降低电动汽车外部的电磁辐射，但整体结构因涡流效应产生的热量对系统影响较大。
　　从屏蔽方式来看，有学者提出一种无耦合单线圈产生抵消磁场主动屏蔽的方式，其系统在传输距离15cm时，系统效率高于85%。有学者同样利用主动屏蔽的方式但创新性地提出了一种利用双线圈和四个电容作为移相器的新型共振无功屏蔽，当采用双线圈屏蔽时，与没有屏蔽的情况相比，在地面以上0.15m处，总磁场大幅减小80%。
　　此外，与单线圈屏蔽相比，双线圈屏蔽在离地0.15m处的总磁场减少最多70.4%。在此基础上，有学者结合磁性材料的磁通路径和抵消磁场主动屏蔽方式，提出一种组合方法来实现电磁屏蔽，实验中在额定功率800W，无线线圈之间的间隙距离为30mm，无线功率传输效率为83%。
　　2）控制策略
　　系统鲁棒控制策略研究是保证无线输电系统可靠性、稳定性和高效性的必然要求。目前系统控制方法可分为原边控制、副边控制和双边控制三种。原边控制可实现控制原边谐振电流简化系统结构以及产生恒定交变磁场实现输出功率鲁棒控制等。
　　有学者均对副边控制策略展开研究，前者基于副边DC-DC转换器提出最大效率控制，提高了传输效率；后者基于副边可控整流和滞后比较器实现了对输出功率或最大效率的控制。双边控制可分为双边通信控制和双边无通信控制。
　　有学者将原副边相结合，提出基于工作频率调制和双边无线通信的闭环控制方法，实现对电池的无线充电。有学者提出无需双边通信的功率和最大效率双参数同步控制方法，通过DC-DC变换器调节副边等效交流阻抗以及搜索原边输入功率最小值，实现最大效率控制和输出恒功率控制。
　　对于动态无线电能传输的鲁棒控制策略，采用PI控制算法，控制参数一般通过极点配置法选取，较为简单且易于实现。但是目前文献资料中的建模与控制研究通常忽略电动汽车动态无线供电实际应用的复杂环境中的多种不确定扰动因素，因此研究面向实际应用工况的系统动态响应特性以及多参数扰动下快速鲁棒控制器极其重要。
　　3）技术应用
　　电动车辆静态无线充电技术已相对成熟，并且宝马、奥迪、丰田、吉利等各大汽车产商已经开始在电动车型上加载，见表2。此外，2019年11月，绿驰汽车宣布将在2020年推出搭载智能无线充电模块的纯电动SUV（内部代号：绿驰M500）。