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(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

电能,系统,线圈(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

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

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。

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