无线电能传输技术分析

龚立娇 兰永均

（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044 2.石河子大学机械电气工程学院 石河子 832003）

1 引言

一直以来，人类把无线电能传输作为自己的梦想之一，为此付出了艰辛的努力，并取得了一定的成果。

最早产生无线电能传输设想的是Nikola Tesla，早在1890年，Tesla就做了无线电能传输试验，但是最终由于财力不足等问题其构想未能实现[1-2]。20世纪初期，Raytheon的W.C.Brown等人设计了一种半导体二极管整流天线将微波能量转换成直流电[3-4]，从此微波作为无线电能传输的一种重要方式被广泛研究。20世纪80年代，电磁感应式无线电能传输技术逐渐引起了学者们的关注和研究。2007年MIT的Marin Soljacic等人利用磁场的谐振方式点亮了一盏60W的灯泡[5]，成功开辟了无线电能传输技术的一个新方向。

迄今为止能实现能量无线传输的方式[1-22]主要有以下三种：电磁波辐射式、电磁感应式、电磁共振式。

本文将对以上三种无线电能传输方式进行技术分析，笔者相信这几种技术的不断发展和进步，将有可能引起能源领域的一场变革。

2 基本原理及关键技术分析

2.1 电磁波辐射式

2.1.1基本原理

微波式无线电能传输即通过电波的形式在远场范围内采用定向天线实现远距离供电，该方式的发射部分将功率以微波的方式辐射出去，接收装置将收到的微波能量通过整流设备转变为直流或交流电能以便用电设备利用。

2.1.2关键技术分析

微波式无线电能传输系统包括微波源、发射天线、接收天线和微波整流设备4部分。因此,要使微波式无线电能传输保持较高的效率，必须满足以下三个条件：I大功率的微波源；II优良的天线性能；III高效的微波整流设备。

（1）微波源

微波源是一种产生高频电磁振荡或功率放大的器件，一般工作在米波至亚毫米波范围。微波源的输出功率直接关系到它的应用领域，通常以100MW为界，凡输出峰值功率超过此值的源称为高功率微波源（HPM）。

HPM装置的组成框图如图1，驱动高功率微波源的是脉冲功率系统,它把初级能源提供的能量转变成高压脉冲,高压脉冲加在强流二极管上，产生强相对论电子束，该电子束在 HPM 发生器中与电磁场相互作用，把电子的动能转变成微波能，最后由天线发射出去[6]。

图1 HPM装置的组成框图

目前大功率微波源主要有：磁控管、放大链发射机、射频放大管、固态微波放大器。

其中，磁控管和放大链发射机效率相似，大约为40%。两者的区别在于放大链发射机是将低电平经过多级射频放大器后放大。射频放大管有多种管型，其中速调管是最可靠的一种，平均功率可达25-50kW，效率大约30-40%。固态微波放大管效率最低，只有20%左右。

由上述可知，目前的HMP在功率和效率方面都还难以满足微波式无线电能传输系统安全经济运行的要求。

（2）高性能天线

I微波发射天线

在微波式无线电能传输系统中,微波发射天线最重要的两个方面是：

第一，高聚焦能力。微波式无线电能传输系统的发射天线辐射口径场的功率密度大约是通信系统的4倍，它的聚焦能力比普通的口径天线强[7]。在微波式无线电能传输技术基础研究中一般采用成熟的抛物面天线。

第二，微波能量的定向传输。在一些实际的应用当中，时常需要对移动的目标输送能量，这就需要发射天线具有随移动目标移动的功能。一方面，我们可以借助相控阵天线来完成；另一方面，我们可以应用具有定向功能的回溯天线阵。具有定向功能的微波式无线电能传输系统有以下两个优点：①可以提高系统的DC-DC整体转换效率；②可以增强系统的安全性。

II微波接收天线

接收天线设计的关键有以下两点：①尽可能获得较高的增益；②便于和整流电路部分集成和匹配。其中，高增益是保证高RF-DC转换效率的前提，而便于和整流电路集成匹配则可以降低操作的复杂程度，提高效率。微波接收天线一般都采用平面印刷天线。按照极化来分，接收天线有线极化、双极化和圆极化。发射天线是圆极化时，双极化天线接收的能量是单极化天线的两倍；圆极化接收天线勿需极化对准，可以接收任意线极化波和旋向相同的圆极化波[7]。

（3）微波接收整流设备

微波整流设备通常由输入滤波器、整流二极管和输出低通滤波器等组成。

图2 微波整流设备组成框图

其中，决定整流效率的关键因素是整流二极管的性能。二极管是一种非线性器件，在整流时会产生高次谐波分量。为了使这部分能量不丢失，输入和输出滤波器一起将高次谐波约束在它们之间，回收谐波的能量，最终也变为直流输出[8]。

现在比较成熟的微波整流设备即为硅整流二极管天线 Rectenna[9]（Rectify antenna）。作为无线功率传送研究的开端，目前发展出的Rectenna有916.5 MHz和2.45 GHz频段，能够有效的将射频能量转成直流电源，以供充电或变频使用[10]。

2.2 电磁感应式

2.2.1工作原理

工频交流电源在整流滤波获得直流电能之后通过高频逆变器进行逆变，逆变所产生的高频交变电流注入一次侧原边线圈，一次侧原边线圈中的高频交变电流产生的磁链Φ与二次侧副边线圈交链，从而产生感应电动势，该感应电动势通过高频整流及直流斩波等调节电路之后即可向负载提供参数合适的直流电能[11]。

图3 感应式无线传能系统框图

2.2.2关键技术分析：

电磁感应式无线电能传输主要以磁场为媒介，利用变压器耦合实现无线电能传输。此种方式采用可分离变压器原理，对一次、二次铁心的形状和对齐方式要求高,需要一次、二次线圈尽量保持在对齐状态，一旦出现相对位移，效率会急剧下降。

电磁感应式系统主要由3部分组成：①能量发射装置②可分离变压器③能量接收装置。

其中，可分离变压器是实现大气隙下能量在原、副边线圈之间高效传输的关键。而优质的可分离变压器必须具备耦合系数高，漏感小等特点。

（1）耦合系数

耦合系数表示变压器原、副边绕组的耦合程度，与变压器铁芯材料、绕组的相对位置及气隙大小有关[12]。

I变压器的铁芯材料。对电磁感应式无线电能传输系统中可分离变压器的铁芯材料的选择，一般有以下几个要求：①磁导率要高；②电阻率要高；③饱和磁感应强度足够大； ④具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线； ⑤居里温度要高。一般，铁氧体、铁镍软磁合金、非晶合金都能满足无线电能传输系统中变压器铁芯材料的要求。从性能上看，非晶合金总体性能最好，但是实际在选用时,要对成本、性能等进行综合考虑。

II绕组的相对位置。如图4所示，（1）是将绕组安放在铁芯的底部，（2）是将绕组拆分成两半后安放在铁芯的端部。

有实验表明，在相同的情况下，采用图4（2）方式的耦合系数比图4（1）的高。因为在图4（2）所示方式中，原、副边绕组线圈接触比较紧密,磁力线可以在原、副边绕组之间垂直的通过，所以漏磁比较少，耦合系数较高。

图4 可分离变压器原、副边绕组的两种放置方式示意图

III气隙大小。气隙大小对可分离变压器耦合系数的影响非常大。在电磁感应式无线电能传输系统中，应根据变压器气隙大小和变化范围选取合适的变压器结构和工作状态，使变压器在气隙规定变化范围内工作，保证耦合系数变化较小，保持较高的耦合系数，这样有利于系统的优化设计和效率的提高。

（2）补偿电路

由于可分离变压器比电磁紧耦合的变压器漏感要大，在开关管关断时，开关管上会引起很大的电压尖峰，且大部分能量会损耗在漏感上[13]。因此，需给变压器的原、副边加补偿电路。图5给出了多种补偿电路方式。其中，原边的补偿电容是为了平衡原边的漏感抗和副边的反应感抗，从而减小感应电源的视在功率，提高感应电源的功率因数。副边的补偿电容是为了减小副边的无功功率，增大感应电源的输出功率。

图5 补偿电路类型

2.3 电磁共振式

2.3.1工作原理

如图6所示，电磁共振式无线电能传输系统主要由能量发射端和能量接收端两部分组成。能量发射端以直流作为功率输入，经逆变后形成高频激励源，使与之直接相连接的源线圈产生谐振，并在源线圈周围形成交变磁场。发射线圈感应源线圈的交变磁场，进而与之形成共振。这样，能量通过源线圈传送到发射线圈，再由发射线圈传递出去。能量接收端包含两个线圈，分别为接收线圈和负载线圈。接收线圈接收到发射线圈传递的能量后，再传送给负载线圈。负载线圈后接能量变换电路，使高频功率转换成直流功率供后面的用电负载使用[14]。

图6 共振式无线传能系统框图

2.3.2关键技术分析：

电磁共振式无线电能传输系统实现能量高效传输的关键是谐振线圈，而决定谐振线圈性能优劣的关键因素是品质因数的高低[15-16]。品质因数Q与能量损耗成反比关系，即当Q值越高时，能量的损耗就会变得越低，从而越有利于能量传输效率的提高。因此，对于电磁共振式系统来说，高品质因数是保证能量高效率传输的关键。

从电路理论可知，线圈的品质因数与线圈的谐振频率，电感以及阻抗紧紧相关（Q=ωL/R）。所以线圈谐振器的设计也主要从以上三个方面着手，提高谐振频率和自身电感以及减小自身内阻。

I谐振频率

电磁共振式无线高效传输是建立在系统谐振频率一致的基础上的。当系统的工作频率偏离线圈的谐振频率时，整个系统的传输效率会急剧的下降。因此目前对共振式无线电能传输系统的优化和控制主要是围绕谐振频率来实现的。但是，谐振频率较高时会受到高频杂散电容参数的影响，线圈的稳定性会变差。所以，为了提高系统的稳定性，学者们提供了两种解决办法：①用小的补偿电容的方式来代替谐振线圈的等效电容[17-18]。②通过锁相环来实现反馈[17]。这是一种动态跟踪控制的方法，能不断根据接收线圈的频率变化调整电源侧输出频率，从而实现系统谐振频率的实时调谐。相比较而言，锁相环闭环跟踪控制在解决共振式无线电能传输系统稳定性差的问题上具有较大的优势。

II等效电阻

系统损耗主要来自于内部电阻，所以减小电阻，有利于减少系统有功损耗。等效电阻的组成主要有线圈电阻 RL、谐振电容等效串联电阻 RC、驱动源内阻RS和辐射电阻RA。

其模型如图7所示

图7 损耗模型

其中，线圈电阻主要受两个因素的影响：①线圈导线的直径和材质；②趋肤效应和邻近效应。我们可以通过合理选择导线（如利兹线、表面镀银线）、优化线圈结构等方法减小线圈的电阻。一般情况下，在无线电能传输的频段（300kHz～30MHz），辐射的功率很小[19]。

由于谐振电容的等效串联电阻会对等效电阻的大小产生影响，从而影响系统传输效率，而无线能量传输系统中的谐振电容的工作状态又较恶劣，所以谐振电容的选择要特别注意。一般我们在选择电容元件时需要同时满足高频、大电流、高耐压、小容值、小体积和低等效串联电阻等条件[21]。

III线圈电感

在低频率下线圈电感表达式

其中：μ0＝4π×10-7为真空磁导率；r为线圈半径；a为线圈线径；N为线圈匝数。

线圈中的电感与线圈的尺寸形状、线圈的匝数、各线圈的相对位置、介质的磁导率和导线截面上的电流分布等因素有关。交变电流在导线截面上的分布特性取决于导线材料的电导率和磁导率以及导线中电流的频率。因此，在交流输入时，电流频率变化会对线圈的电感产生影响。当导线截面的线尺寸远远小于导体内电磁波的波长时，频率变化对电感数值影响很小，从而忽略电流在导线截面上分布的不均匀性。由谐振频率可知，电感的大小将直接影响谐振频率的大小，从而影响传输效率的大小。

除了要研究以上几个对系统传输效率影响较大的因素外，要想实现真正的应用我们还必须对系统的安全性给予足够的关注。所以我们不得不考虑电磁环境与周围设备和生物体之间的相互影响。

总体来说，电磁环境与周围设备和生物体的相互影响目前还处于探究阶段，电磁环境对周围设备运行及人体安全有没有负面影响以及周围设备和生物体对电磁系统能量传输的影响还难以确定。虽然MIT根据其实验室数据指出磁场强度为几个特斯拉，与核磁共振的磁场强度相当[5]，而个别文献指出在该强度的磁场下，对人体的影响很小，但并没有拿出权威的论据来支撑该观点。此外，周围设备及生物体对电磁系统能量传输的影响方面的研究现在还比较少见，所以电磁环境问题现在仍然是电磁共振式无线电能传输技术研究的一个难点问题，也将是一个热点问题。

3 应用前景及发展展望

3.1 应用前景

由于上文中提到的三种无线电能传输方式原理、关键技术和特点的不同，所以它们的应用领域也有所区别。

微波式无线电能传输技术适合应用于大范围、长距离、且不易受环境影响的电能传输场合，主要有空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电，航空航天器供电等。

基于电磁感应原理的无线电能传输技术的研究相对比较成熟，其输送的功率最大可达到几百千瓦，但传输距离很短，在1cm以下。其应用范围广泛，大到电动汽车，小到医用的微型机器人[18]。

基于电磁共振原理的无线电能传输技术目前尚在实验阶段，该技术采用MHz范围的谐振频率实现电能在波长范围内的中等距离高效率传输。人们期待此技术的发展可以在高速路上架设共振发射天线，向过往的汽车充电。此外，由于其传输距离相比较电磁感应式更大，所以如果能在传输效率上有所突破的话，日后将有可能在很多领域取代电磁感应式无线能量传输。如医疗器械领域，手机、MP3 等便携式通信领域，深海潜水、深海油田等水下探测领域，煤矿、化工等存在易燃易爆物的特殊行业以及无线传感器网络。

3.2 发展展望

本文通过详细介绍三种主要的无线电能传输方式的工作原理和关键技术分析，向读者展示了三种无线电能传输方式的共性和个性。此外，笔者还通过总结分析给出了无线电能传输技术的应用前景。从以上两个部分笔者发现无线电能传输技术目前尚存在许多问题：

1、微波式无线电能传输技术的发射与接收效率不高，大气衰减严重，受地形及环境影响较大。其工作频率主要工作在 C波段（5.8～35GHz），对生物体健康有害，所以离大范围应用还尚有距离。

2、电磁感应式虽然较为成熟，传输效率也相对较高，但是其传输距离太小，改进相对比较困难，导致该技术在电力大距离无线传输的实际应用中具有很大的局限性。

3、电磁共振式的传输距离和传输功率介于上述两者之间，可应用的范围较为广泛。但是该技术目前还处于研究阶段，很多问题还没有研究清楚。理论部分仍需要科技工作者不断完善，应用部分现在也有诸多问题尚需解决，如线圈谐振器的品质因数问题，频率分裂问题，以及要想真正应用到生活中要解决的多接收线圈、线圈小型化和电磁安全性问题等。

对于以上存在问题，笔者认为：

1、对于微波式无线电能传输首先要提高微波发生器的转换效率，其次是在现有基础上逐步改善天线和整流设备的性能。

2、对于电磁感应式无线电能传输关键是要通过补偿电路来优化可分离变压器，在传输效率较高的情况下，提高传输距离。

3、对于电磁共振式由于目前还处于实验阶段，存在问题较多，所以需要做的工作也较多，研究空间较大，潜力较大。首先应该在理论上研究清楚，这方面值得科技工作者去深入研究；其次，传输功率、效率及距离之间的关系虽有一些学者在研究，但是结论存有差异，所以也可以做些研究。再次，可以研究一下收发线圈的多对一和一对多的问题，对于该项技术的实际应用会有不小帮助。最后，可以研究一些新型材料的应用对于该项技术的促进作用，以及其在诸领域的实用性。

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