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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：

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。

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