无线电能传输技术发展与应用综述

无线电能传输技术发展与应用综述

左文龙

中国通信建设第四工程局有限公司 河南 郑州 450052

摘要：无线电能传输（WirelessPowerTransfer,WPT）技术将电力电子技术和控制理论与技术等相结合，通过磁场、电场、激光、微波[等载体实现电能的无线传输，目前常见的无线充电方式主要是采用磁耦合无线电能传输技术。与磁耦合无线电能传输技术相比，电场耦合式无线电能传输技术具有以下优点：耦合机构成本低、重量轻、形状易变；耦合机构周围磁场干扰较低；可以跨越金属障碍传能；在耦合机构之间或周围的金属导体上引起的涡流损耗很小。因此，研究EC-WPT技术可以进一步推进WPT技术的发展和应用。目前国内外学者围绕EC-WPT技术的多个方面展开了研究，并取得了丰富的成果。基于此以下对无线电能传输技术发展与应用综述进行了探讨以供参考。

关键词：无线电能传输; 研究动态; 应用场景展望

引言

无线电能传输技术是一种不依靠导线的电能传输技术，通过电场和磁场将电能从电源端传递至用电负载端。传统输电方式常以电线或电缆为媒介进行电能输送，存在线路老化、传输损耗、维护困难等诸多问题。而ＷＰＴ技术摆脱了导线的束缚，以安全可靠、方便灵活、绿色环保等独特优势吸引了国内外大量专家学者的研究，得到了迅速发展，目前已经广泛应用于医疗电子、工业机器人、电动汽车领域，并且在水下机器人领域有巨大的发展前景

1 无线电能传输技术概述

1.1 分段式耦合机构

1.1.1 在DWPT系统中，为了降低系统待机损耗与电磁辐射，发射端通常采用分段式耦合机构。然而，分段式发射结构给DWPT系统引入了新问题：相邻段发射极板间距离较近时，发射端口间的耦合会影响系统谐振，相反，极板间距较远时，系统过分段时输出电压将跌落。

1.1.2 在接收端位置以及负载电阻发生变化时，系统增益如何保持一致。针对不同负载和位置条件下系统增益一致性问题，研究人员已针对MC-WPT系统提出了许多解决方案，通过补偿网络和耦合机构设计实现动态恒压输出。MC-WPT系统以磁场为传能媒介，要实现输出恒压，需满足不同工况下各分段线圈附近的空间磁场均匀分布，即拾取端位置、负载电阻变化时发射线圈电流恒定。然而，不同于MC-WPT系统，EC-WPT系统以电场为传能媒介，要实现输出恒压，不同工况下各分段极板附近的空间电场需均匀分布，即各分段发射极板电压相等，且不受拾取端位置和负载电阻变化的影响。由于两个系统能量耦合媒介与传递机制的差异，导致MC-WPT的补偿网络设计无法直接应用于ECWPT系统，因此需要设计具有发射端极板电压恒定特性的补偿网络。

1.2 磁耦合谐振式ＷＰＴ系统传输功率和效率

1.2.1 耦合模理论应用耦合模理论可以建立谐振式无线电能传输系统，了解谐振体之间的耦合关系。能量在两个谐振线圈之间传递，利用经典的耦合模理论阐述磁耦合谐振能量交换

1.2.2 磁耦合谐振式ＷＰＴ系统主要由发射端和接收端组成

磁耦合谐振式ＷＰＴ系统模型所示。发射端包括直流电源、高频逆变电路、发射补偿电路和发射线圈。接收端包括接收线圈、接收补偿电路和负载。直流电源向系统输入给定电压，通过高频逆变电路将其转化为交流信号，在发射线圈中产生交变磁场。接收线圈与发射线圈相互耦合，产生感应电动势对负载供电。其中发射线圈和接收线圈均与其相对应补偿电路形成谐振回路，使得能量能够高效传输。

1.3 系统拓扑

直流电源经过高频逆变器产生交变电压，通过发射端LC网络的滤波，同时将电压泵升至耦合机构所需要的高激励电压，当耦合机构的接收极板靠近发射极板时，在两极板之间能够形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流“流过”极板，实现电能的无线传输。整流器和滤波电容将交流电转换为直流电给用电设备供电。

1.4 系统对工作频率的敏感性

在实际应用中，参数漂移通常难以避免，除此之外，逆变器也会由于控制电路误差无法精确达到某一频率点而出现偏差，假如系统对频率太过敏感，则会影响系统恒流/恒压输出特性，因此必须分析系统对工作频率的敏感性。

2 提升系统传输效率问题的重要性

2.1 保持系统实时谐振

目前MCR-WPT系统传输电能效率不高，其中之一就是由频率偏移带来的。由于MCR-WPT是建立在系统谐振基础上的，一旦偏离谐振，就会导致系统的功率、效率等性能的大幅下降。但谐振频率会随很多因素的变化而变化，因此在整个变化过程中如何有效保持系统实时谐振显得尤为重要。

2.2系统设计全局优化问题

MCR-WPT系统设计是一个复杂、精密的工程，需要综合考虑拓扑结构参数、系统控制策略、电磁环境等对多个系统传输特性的影响。如何提高系统抗偏移性、降低系统复杂程度也是未来的研究热点。

3 无线电能传输技术应用展望

3.1 电力系统

电力系统中的用电设备经常会涉及隔离供电以及绝缘等问题。无线传能技术种类较多，有适合近场大功率高效率传能的磁场耦合式和电场耦合式电能传输技术，有适合穿透外壳且无电磁兼容问题的超声式电能传输技术，还有适合远场的激光和微波无线传能技术，随着相关研究的深入，足以为电力系统提供更加贴合、可靠的供电方案。

3.2 交通运输

无线电能传输技术在交通运输领域的应用分为电动汽车、轨道交通、物流运输和管道运输四个方面。

3.3 航空航天

无线电能传输技术在航空航天领域的应用分别从是人机、卫星旋转供电和外星探测三个方向。

3.3.1 卫星旋转供电卫星在太空中执行任务时经常需要转动天线、机械臂及太阳能电池翼等部件。为了保证卫星的旋转机构正常工作，一般会采用导电滑环来传输电能和信号。然而，导电滑环的电刷和汇流盘环道会在运行过程中发生摩擦。卫星在轨器件如果磨损过多，产生的磨屑会降低滑环绝缘性能，引起破坏性放电，从而导致卫星故障甚至直接报废。

3.3.2 外星探测展望未来的深空探测需要在外星建立基础设施、通信基站、运载工具和传感器等设备。无线电能传输技术可以在外星构建电力和通信网络系统，灵活地向电力和通信设备分配电力，从而有力地推动科学技术全面发展，为航天事业做出更大贡献。

3.4 水下探测水下机器人

近年来，为了提高水下机器人的工作续航时间，人们展开了采用无线电能传输技术为水下机器人供电的研究。目前，水下机器人无线充电系统主要涉及磁场耦合式、电场耦合式以及超声无线传能技术。

结束语

综上所述利用金属极板间的高频电场实现电能传输的电场耦合式无线电能传输)技术得到了越来越多的研究。EC-WPT系统具有一些优势，例如：电场可实现穿越金属物体传能而不会产生显著的涡流损耗；耦合极板采用金属板或箔片制成，降低了耦合机构的成本和重量，EC-WPT系统的抗偏移性较好等。目前，EC-WPT技术已在电子消费设备、特种电源和电动汽车等领域得到初步的应用探索。在 DWPT 系统中，为了降低系统待机损耗与 电磁辐射，发射端通常采用分段式耦合机构。

参考文献

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