无线电能传输技术知识科普
1. 无线电能传输技术的发展历程
传统的电力传输依赖有线手段进行（具体是通过电缆线进行传输），故在电力传输过程中不可避免地会出现损耗现象，而且线路的老化、尖端放电等问题也容易引发电火花，这不仅显著降低了设备供电的可靠性与安全性，还缩短了设备的使用寿命。在矿场、海底等特定环境里，传统电缆供电的不足之处有时会变得极为严重，甚至可能引发爆炸、火灾和设备损毁，造成严重的安全隐患和巨大的经济损失；同时，日常生活中众多电器的用电需求，也必然导致各种电源线交织在一起，给人们的日常生活带来极大的不便。
自人类开始运用电能起，便渴望找到一种能够实现电力能量无线传输的方法。19世纪中后期，尼古拉·特斯拉这位杰出的电气工程师提出了无线电能传输技术的概念，并对其进行了实验性的研究。然而，由于当时技术水平的限制以及财力等方面的原因，这项技术仅停留在设想阶段。尽管如此，它为无线电能传输技术的未来发展描绘了一幅诱人的前景，并为其研究奠定了坚实的基础。随着电磁波理论的不断进步，古博及其团队在理论上验证了自由空间波束导波传输能量的可能性，并且进行了众多理论与实践相结合的研究工作。进入20世纪初期，日本学者H.Yagi及其团队成功研发了一种适用于无线电能传输的定向天线，亦称八木-宇田天线。该天线能够将能量以微波的形式发射出去。在此基础上，雷声公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）等研究人员进行了深入研究，并设计出一种效率高且结构简单的半导体二极管整流天线。这种天线能够将微波能量转化为直流电。自此，微波成为无线电能传输领域的重要研究手段，得到了广泛的应用。截至目前，微波技术在电能传输领域已能实现大功率及长距离的电力输送。同时，激光技术作为一种新兴的无线能量传输手段，亦被应用于实现大功率和远距离的能量传输。
进入20世纪80年代，学者们开始重视一种以电磁感应耦合为核心的无线能量传输技术，该技术随后被广泛应用于电动牙刷、手机、电动汽车等设备的无线充电领域。这一领域的开拓者，以新西兰奥克兰大学波依斯（Boys）教授领衔的研究团队，起到了引领作用。该课题组经过长时间的辛勤耕耘，在理论与实践层面均取得了显著成就，成功构建了国家地热公园载人游览车的无线供电试验系统。美国汽车工程协会依据MagnechargeTM系统的设计原理，确立了适用于美国地区电动汽车的非接触式感应电能传输统一标准，即SAEJ.1773。然而，这种感应式无线电能传输技术在磁路设计上有着较为严格的要求，进而限制了其传输距离，通常仅在厘米级别，因此在高功率无线能量传输领域的应用上存在显著局限性。
2007年，麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克及其研究团队，通过磁场共振技术，构建了两个半径各为30厘米的发射与接收谐振器线圈。他们实现了在1.9米距离外点亮60瓦灯泡的壮举，从而在无线电能传输领域开启了一条新的路径。这一技术不仅克服了传统感应式非接触无线电能传输距离有限的不足，将传输距离提升至米级，而且显著减少了能量传输过程中的环境影响（电磁辐射较低）。该技术的问世使得无线电能传输技术的研究迈向了一个全新的阶段；无论是感应方式还是磁耦合谐振方式，它们都依赖于磁场来完成能量的传递；尽管磁耦合谐振方式在电磁辐射方面的问题相对较少，但在那些对磁场环境要求尤为严格的特定场景中，这两种方式均存在应用上的限制。因此，近年来，众多学者纷纷提出了一系列新颖的无线能量传输方法，例如基于超声波和电场的传输技术。尽管这些方法的传输功率尚需提升，然而，在电磁环境要求较高且功率需求不大的场景中，它们却展现出明显的优势。
总结来看，目前能够实现能量无线传输的方法包括微波、激光、感应耦合、磁耦合谐振以及电场耦合等，这些方法能够满足从低功率到高功率，从远距离到近距离的多种应用场景和不同功率级别的能量传输需求。
我国在无线电能传输技术的研究领域起步相对较晚，自本世纪初起，国内才开始逐步涉足这一领域。然而，研究重点主要集中于感应式非接触无线电能传输技术以及磁耦谐振式无线电能传输技术。中国科学院电工研究所作为国内较早投身于非接触无线电能传输技术研究的机构之一，已取得了一系列的研究成果。在2002年，重庆大学着手对非接触式电能传输技术的根本理论以及其实际应用展开研究，最终成功开发出一套专为电动汽车设计的无接触供电系统。东南大学自2006年起便在无线能量传输领域展开了深入研究，成功研发了电场耦合的光电机技术。同时，该校还推出了磁耦合谐振式无线能量传输系统的功率调频控制技术，以及电动汽车无线充放电与电网互动技术等多项关键技能。与此同时，哈尔滨工业大学、浙江大学、南京航空航天大学等众多高校及科研机构在基础理论和应用研究方面也投入了大量的努力。国内对无线电能传输技术的研究日益热烈，2011年10月，天津举办了我国首次“无线电能传输技术”主题研讨会。与会专家们就无线电能传输技术的最新发展及存在的问题进行了深入探讨，并形成了“天津共识”。这次会议对于推动无线电能技术在我国的研发和应用具有深远影响。
在众多无线电能传输技术中，磁耦合谐振式能量传输技术因其传输距离较长、对传输介质的依赖性较低、对方向性的要求不高，这些显著优势使得它成为了无线电能传输技术研究领域的核心焦点。本文后续内容将重点对磁耦合谐振式无线电能传输技术进行深入探讨，具体讲解其传输原理以及模型构建的关键分析方法。同时，文章还将分析该技术的当前研究状况和面临的关键技术难题，并对该技术当前的研究焦点及其未来发展趋势进行详细说明。
2. 磁耦合谐振式无线电能传输技术
2.1 传输机理与系统结构
磁耦合谐振式无线电能传输技术基于共振原理，通过科学配置发射与接收装置的参数，确保发射线圈、接收线圈及整个系统共享一致的谐振频率。在相应谐振频率的电源激励下，系统能够进入“电谐振”状态，进而实现能量在发射端与接收端的高效传输。该系统由电源部分、能量转换与传输设备（即线圈谐振器）以及能量接收设备三大模块构成。
线圈谐振器对于系统实现能量的高效传输至关重要。其性能的好坏主要反映在能量转换的能力上，而这一能力的关键在于是否拥有较高的品质因数。根据电路理论，线圈的品质因数与电感、内阻抗以及工作频率密切相关（Q=ωL/R）。因此，线圈谐振器的设计主要从这三个方面入手，即提升谐振频率、增强自身电感以及降低自身内阻。为了达成高标准的因数线圈设计目标，其谐振频率显著提升，可达到数十兆赫兹之高。然而，由于高频杂散电容（包括线圈与地之间的、线圈匝间的、以及线圈间的）参数的影响，该线圈的稳定性相对较差。若线圈的谐振频率是基于其自身的电感和高频杂散电容产生的自谐振频率，尽管其谐振频率可以达到MHz级别，但系统的稳定性和可控性并不理想；此外，系统的传输效率对频率的选择性要求较高，特别是在系统的工作频率与线圈谐振频率不一致时，整个系统的传输效率会显著降低。
为了增强能量传输的稳定性与操控性，研究者们提出了一种折中的策略，即采用微小的补偿电容器来替换谐振线圈的等效电容。尽管此举使得线圈的自谐振频率有所下降，但显著提升了系统的稳定性和可控性。在进行谐振频率的设定时，无论是基于自身参数设计还是通过外接补偿电容来实现，在传输系统的模型分析领域，对线圈分布式参数的建模较为罕见。通常情况下，研究者们更倾向于运用耦合模态、互感（电路）以及二端口网络等理论，通过集中参数的方法来进行建模。
2.2 传输模型
2.2.1 耦合模理论
耦合模理论属于一种微扰分析法，它能够绕过对复杂物理模型的深入分析，直接探讨物体间能量耦合的现象。在磁耦合谐振式无线能量传输系统中，发射线圈与接收线圈间的耦合力度相对不强，故而该理论在系统分析方面展现出了一定的适用性。
耦合模理论在系统能量流动及转换分析领域展现出显著优势，然而，它在系统具体参数方面的探讨相对有限。此外，线圈的模式成分以及耦合系数等关键参数的获取也相对困难。
2.2.2互感理论
分析传输系统时，互感理论的应用相对简便，且是目前应用较为普遍的技术手段之一。在两线圈回路的自谐振频率与电源输出频率相一致的前提下，我们能够对系统进行更深入的求解。此过程的关键在于确定两线圈之间的互感值。互感值受线圈匝数、半径以及间距等参数影响，特别是在空间中两个线圈的分布位置不明确的情况下，互感的计算变得尤为复杂。截至目前，尚无一种精确的计算方法，通常人们会选择使用近似的方法来进行求解。
2.2.3二端口网络
采用二端口网络理论对传输系统进行建模，这成为了继耦合模理论和互感电路理论之后的又一关键研究方法。在这种方法中，能量传输与转换的过程被视为一个二端口网络。
3. 关键技术及待研究的关键问题
3.1 高频功率电源技术
磁耦合谐振式无线能量传输之所以能够实现高效传输，关键在于系统是否能够达到谐振状态。对于一套精心设计的线圈谐振器来说，电源与谐振器之间的频率必须保持同步。正如之前所述，谐振器通常被设计为拥有较高的谐振频率，特别是在大功率能量传输领域，对电源的要求更为严格。它不仅需要具备充足的驱动能力，还必须拥有匹配的输出频率。因此，对电源的设计提出了相当高的标准。在兆赫兹频段，能够实现的大功率电源方案主要包括振荡型、逆变型和功率放大型。振荡型电源设计相对简便，易于实施，其中常见的振荡电路包括变压器反馈LC振荡电路、电感三点LC振荡电路以及电容三点LC振荡电路，然而，这些电路也存在一些明显的不足之处。振荡电路的转换效率并不理想，其谐振频率与LCR参数紧密相连，调整过程颇为复杂开yunapp体育官网入口下载手机版，目前相关研究相对较少。在MIT所研发的磁耦合谐振式无线电能传输系统中，采用了电容三点式振荡电路，尽管发射和接收线圈的能量转换效率极高，在1米距离内甚至可以达到90%，但整个系统的转换效率却仅有不到20%，这充分说明电源转换效率对整个系统效率的影响至关重要。
为了确保电源的操控性，目前普遍采用电力电子逆变器技术进行转换，然而，由于电力电子元件性能的制约，此类电源的输出频率难以攀升至兆赫兹水平。通常情况下，电源的输出频率范围较广，多在几十千赫兹至几千千赫兹之间波动。而且开yun体育app入口登录，随着功率的增大，提升频率的难度也随之增加。
在多数情况下，为了达到更高的功率输出频率，我们参考射频领域的电源技术，运用了功率逐级放大的策略来设计高频率大功率的电源。这种电源的频率可以非常高，甚至达到几兆赫兹或更高。然而，这种逐级放大的方法存在一些不足，它不仅降低了效率，而且对每一级的阻抗匹配要求相当严格，使得设计过程变得较为复杂。目前，在多数无线电能传输研究领域，所采用的频段多为工业、科研、医疗等领域所认可的频段，例如13.56MHz，或是其以上的频率范围。在这些研究中，电源的供应通常是通过射频功率放大的技术来实现的。
3.2 谐振器设计与优化3.2.1谐振线圈设计
电源之外，谐振器线圈的设计在磁耦合谐振式无线电能传输领域同样扮演着核心角色。正如前文所述，具备高品质因数的谐振器线圈对于提升系统的传输性能至关重要，其参数与系统的传输效率、功率输出以及传输距离等关键性能指标均存在直接关联。
谐振器线圈的参数优化主要涉及线圈匝数、绕制工艺、匝间距布局以及材料选用等要素，同时需兼顾系统输出性能的具体要求，对谐振器线圈进行针对性优化。相关文献提出了在线圈匝数选择上的优化策略，在保持线圈结构不变的前提下，通过调整线圈半径尺寸来提升系统效率。
此外，在新的研究领域中，人们开始探索一种特殊的左手材料，这种材料同时具有负介电常数和负磁导率，并已被考虑用于提升系统的传输效率。
3.2.2多线圈的设计
多线圈结构是指在能量传输环节中，运用超过两个线圈的布局来执行能量的传递。通常情况下，运用多线圈设计的场景涉及提升系统的传输效率、扩展传输距离以及调整系统的能量传输方向等需求。麻省理工学院的Rafif E. Hamam等研究者，借鉴了量子干涉中的电磁感应透明效应，提出了中继线圈的新构想。他们发现，在发射线圈与接收线圈之间加入一个谐振频率相同的线圈，能够显著提升能量转换的效率，并减少空间散热损失。基于这一创新，中继线圈作为一种提升系统性能的方法，受到了广泛的关注和研究。
在能量传输领域，尽管磁耦合谐振式无线能量传输对方向性的依赖性不强，但依旧存在一定的传输方向。为了更有效地实现能量的定向传输，多线圈设计被采纳以调整能量传输的路径。通过调整不同中继线圈在空间中的布局，可以实现对能量传输路径的改变。
3.3 系统控制策略和优化方法
3.3.1 频率分裂及其优化技术
频率分裂在磁耦合谐振式及感应式无线电能传输技术中普遍存在，这一现象源于发射与接收线圈间耦合强度的提升，进而引发系统内多个谐振频率的产生。当发射与接收线圈间的距离逐渐增大（即耦合强度增强）时，负载侧接收到的功率便不再集中在自然谐振频率上。依据耦合模理论，通常系统会呈现出三个共振频率，它们分别是自然共振频率、奇数/偶数共振频率（即对应极值功率的频率）。这一现象不仅提升了系统控制的难度，同时也加剧了系统的不稳定性。
研究结果表明，导致频率分裂的主要因素是线圈间的过度耦合。为了克服这一现象，目前主要从线圈布局入手：首先，通过调整线圈间的相对布局，可以降低发射线圈与接收线圈之间的互感，使系统摆脱频率分裂区域；其次，调整两线圈间的旋转角度，即便不改变线圈的空间布局，也能改变发射或接收线圈的角度，从而帮助系统脱离频率分裂区域；最后，通过改变负载电阻的数值，虽然这种方法在许多情况下难以实施，因而存在一定的局限性。
3.3.2 控制策略和优化方法
谐振频率是决定系统传输效率的关键要素，故而当前对谐振无线电能传输的优化与调控主要集中在对谐振频率的调整上。先前已有论述，谐振器线圈的高品质因数常会导致系统运行时稳定性不足，为增强系统稳定性，采用锁相环闭环跟踪控制手段在改善谐振无线电能传输系统稳定性方面展现出显著优势。
3.4 电磁环境及其对生物体的影响
电磁环境问题不仅是谐振无线电能传输技术领域的研究焦点，同时也是一大挑战，依据麻省理工学院所提供的实验数据，磁场的强度达到数特斯拉，与核磁共振的磁场强度相仿。在这样的磁场强度下，对人体的影响微乎其微。对磁耦合谐振式无线电能传输技术的电磁环境影响的研究目前还处于初级阶段，尽管已有一些涉及电磁磁路和电磁兼容性的研究成果，但整体上，这一领域的研究还在不断摸索之中。
4. 热点研究领域及发展趋势
4.1 电动汽车领域
将无线电能传输技术引入电动汽车的无接触充电与放电过程，不仅能够有效解决充电桩的部署难题开yun体育官网入口登录app，还能降低电动汽车充电的密集度，并在一定程度上减轻电动汽车大规模充放电对电网带来的压力。
目前，在国内外，众多汽车制造商和科研机构正致力于电动汽车无线供电技术的深入研究，并且已经取得了令人瞩目的成就。电动汽车的无线充电技术已经成为当前全球研究领域的焦点。
电动汽车，作为构建智能电网的关键要素之一，其规模化发展不仅能成为电网的储能资源，还具备显著的功能。无线充电技术的融入，极大地增强了电动汽车与电网之间的互动效率，进一步凸显了其在智能电网中的积极影响。具体来看，其优势主要体现在：
能够更有效地控制可再生能源发电的波动性。无线充放电技术的电动汽车具备与电网更深入的互动性，借助双方智能化的互动系统，能够自动调节电动汽车的充电与放电，进而有效抑制可再生能源发电的波动，并提升其被电网接纳的能力。
无线充电技术能显著降低对电网的冲击，相较于有线充电，其充电点分布更广，有助于提升电动汽车充电的集中性；由于无线充电不涉及电网的物理连接，其使用更为便捷、可靠，能够分散连续充电的时间，并且大幅降低快速充电的需求。因此，无线充电技术有助于减轻电动汽车充电对电网的冲击。
该技术能更有效地实现能量调节。通过用户自主设定和电网的智能调控，无线充放电技术能够在停车位、停车场或行驶途中与电网进行实时互动，执行充电或放电任务，实现能量的储存与释放。作为移动式储能设备，电动汽车能更显著地实现削峰填谷功能，有助于均衡电网负荷，增强电网的稳定性，并且能够有效节省能源。
降低对电池续航能力的期望。电动汽车的电池问题成为制约其发展的关键因素之一。数据表明，当电动汽车行驶达到15万公里时，电池便可能出现故障，消费者不得不更换新的电池。相比之下，无线充电技术能够有效减少对电池续航能力的需求，从而降低更换新电池的经济负担。2010年3月9日，在韩国首尔这座繁华的首都南部的一座游乐园里，一款无线充电的公交汽车系统首次亮相。这款系统采用的电池体积小巧，仅为传统电动车电池的五分之一，并且充电时间大大缩短。到了2011年，欧洲地区开展了一项实验，利用公交车进站和停站的时间进行无线充电，实验结果显示，公交车的电池容量从原本的145kW·h降至45kW·h。
4.2 智能家居
智能家居领域近年来备受瞩目，特别是智能家电的供电方式，无线电能传输技术展现出显著优势。这一技术有助于突破传统充电线的束缚，极大提升了使用的便捷性和人性化设计。因此，“无尾”家电设备的概念应运而生，例如无需电池的无线鼠标，以及手机和笔记本电脑的无线充电设备等。
4.3 医疗设备
无线电能传输技术在医疗领域的应用，尤其在植入式医疗设备中，如心脏起搏器、神经刺激器、全人工心脏、人工耳蜗以及视网膜假体等方面，发挥着重要作用。这类设备通常所需的供电功率较低，范围从几十微瓦到几十瓦不等，供电方式主要包括通过皮肤直接供电以及植入式电池的无线充电等。加利福尼亚大学的G.X.Wang及其团队研发了一种人工视网膜供电设备。日本东北大学的小柳光教授成功试制了一套无线供电系统，该系统能够为植入眼球的人工视网膜提供电力。英国南安普敦大学的研究团队研发出了一种“迷你发电机”，这种发电机能够将振动转换为电能，未来有望利用心脏病人的心跳为他们的心脏起搏器提供能源。
人体植入装置的无接触电力传输技术是无线电力传输领域内的一个重要研究方向，此类植入设备若采用无线供电方式，具备以下几大优势：
供电系统不涉及任何实体连接，从而阻隔了导线与人体皮肤的直接接触，有效预防了因感染而产生的各种并发症。
成功解决了植入电池因耗尽电量而需进行手术更换的问题，从而显著提升了术后患者的生活质量。
设备与人体皮肤无直接电学接触，且无裸露电线及接触部件，从而排除了意外触电的风险，显著提升了设备对人体的安全保障级别。
摩擦现象得以避免，机械磨损与电气腐蚀问题也随之消除，因而系统展现出极高的可靠性，并且无需进行维护。
非接触变压器的第一、二次侧并非紧密连接，因此即便在变压器的一、二次侧出现一定程度的偏差，系统依然能够正常运行。这样的设计不仅提升了供电的灵活性，也增强了患者的舒适度。
4.4 工业应用
无线电能传输技术日益完善与进步，其在工业领域的应用潜力同样十分巨大，前景十分广阔。工业领域某些特定场景，比如化工设备中的检测设备、水下作业的机器人、分布式传感器的能源供应问题等，这些场景中的用电设备通常依赖更换电池或通过电缆供电，这给设备的日常使用与维护带来了不少困扰。然而，无线电能传输技术有效解决了这些弊端，因而近年来成为国内外学者及企业研究的新焦点。
5. 存在的问题与发展趋势
无线电能传输技术并非新生事物，然而，随着新型技术及应用的不断涌现，它正逐渐演变成一门新兴的研究领域。特别是，相较于传统的电源线供电方式，无线电能传输技术展现出独有的显著优势。其技术的进步和持续突破，预计将在电动汽车、医疗、工业和电子等多个领域引发重大的变革。尽管近年来基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线能量传输技术逐渐崭露头角，但现实中仍存在诸多待解难题。这些问题包括理论体系尚不健全，尽管现有的分析理论对实际研究提供了一定的理论支持，但对于系统特性、参数优化以及空间电磁场分布等方面的研究，尚未形成一套严谨的分析方法。高频功率电源及整流技术尚未找到理想解决方案，现有高频电源方案普遍面临效率不高、设计繁琐等问题。系统控制与优化方面的问题亟待解决，而高品质因数谐振器线圈对系统运行稳定性造成的不利影响，也尚未得到有效处理。尽管如此，作为目前实现中程距离无线能量传输的有效途径，该技术仍拥有广阔的发展前景。
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