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）
无线电力传输(无线电力传输技术应用研究现状及关键问题)
自2007年美国麻省理工学院研究团队发表无线电力传输技术研究成果以来，国内外专家学者对科学问题和关键技术进行了广泛深入的研究。随着难题的突破，无线电力传输作为一种新型的电力传输方式，辐射的领域越来越广。
电气设备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)、天津理工大学电气工程与能源先进技术天津重点实验室研究员薛明、杨清心、张鹏程、郭建武、李洋、张喜安在2021年第八期《电气技术学报》上撰文。首先，简要介绍了无线电力传输技术的分类和组成。其次，聚焦该技术在家用电子设备、智能家居、医疗器械、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通运输、航空航天等国内外8个领域10余年的应用，重点阐述该技术的应用水平以及目前不同领域存在的难点问题。再次，从文献和专利两个方面对该技术的国内外研究成果进行了对比分析。最后，总结了无线电力传输技术在各领域实际应用中的关键共性问题，分析了无线电力传输技术产业化的发展现状。
自从人类学会了用电，就一直离不开电。如今，人们生活中的电气化程度越来越高，电能的应用也越来越多。传统输电一般采用金属电线电缆等传输介质，在输电过程中不可避免地会出现传输损耗、线路老化、尖端放电等问题，给一些易燃易爆场景的供电设计造成困扰。
无线送电作为一种新型的送电方式，有效避免了有线供电“不合适、难”场景下的诸多弊端，提高了供电方式的自由度，拓展了人们对送电方式的想象空间。
经过多年的发展，无线电力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、交通导航空航空航天等八大领域得到了快速应用，正在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和产业化。
无线电力传输技术简介
无线电力传输技术(WPTT)最早是由19世纪中后期著名的电气工程师尼古拉·特斯拉提出的。它是通过无形的软介质(如电场、磁场、声波等)将电能从电源传递给用电设备的一种传输方式。)在空之间。这种传输方式比传统的用电缆传输电能的方式更安全、更方便、更可靠，被认为是能源传输和接入的革命性进步。
1无线电力传输的技术分类
随着无线电力传输技术理论研究的深入和发展，研究人员针对不同的应用场景和实际问题，不断提出与无线电力传输技术相关的新术语和新概念。本文通过查阅现有文献，根据能量传输机制和能量收发器耦合空之间的位置变化，对无线电力传输技术进行了分类。图1是无线电力传输技术分类的框图。
图1无线电力传输技术分类框图
磁耦合无线电力传输系统简介
目前，在无线电力传输模式中，磁耦合无线电能模式是理论研究较多、应用进程较快的主要模式。目前，文献从能量传输原理分类的角度详细介绍了磁耦合无线电力传输系统的组成。阐述了能量收发器耦合空的相对位置是否变化。
01静态无线充电系统
静态无线充电系统以电磁场原理为基础，以高频电源、电磁耦合器、能量转换模块和静态负载为主要功率流路，集成检测、通信、控制和保护电路。收发器依靠高频电磁场为静态负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居、医疗设备等低功耗需求场景，以及电动汽车、工业机器人等大功率能量传输场景。图2为电动汽车静态无线充电系统的结构。
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
无线供电系统基于电磁场原理，以高频电源、电磁耦合器、能量转换模块和移动负载为主要功率流路，集成检测、传感、通信、控制和保护电路。收发器依靠高频动态电磁场实现对移动负载的实时供电。
与静态无线电力传输系统相比，电感耦合和电磁谐振原理协同工作。最大的区别在于电磁耦合系统的结构设计、补偿拓扑和控制策略，动态供电系统在系统复杂度、技术成熟度和建设经济性等方面还有待进一步提升。
该系统主要用于高速列车、有轨电车和电动汽车。图3是电动汽车动态无线供电系统示意图。这种供电方式可以保证移动受电设备能够实时获取电能，有效避免了电池续航能力弱、充电时间长的缺点，大大降低了受电设备的质量。
图3电动汽车动态无线供电示意图
03准动态无线电力传输系统
准动态无线输电系统的结构与静态无线充电系统相似，技术成熟度介于静态系统和动态系统之间。主要用于移动电源接收器(电车或电动车等)时给车载储能装置充电。)移动缓慢或短暂停留(如红绿灯路口)。与传统的动态无线传输系统相比，简化了系统的控制复杂度，降低了基础设施成本，使发射机和接收机之间的磁场耦合度高，从而实现能量高效传输。
无线输电技术应用水平及关键问题
随着无线电力传输技术在多个领域的快速应用，阐述了该技术目前在家用电子设备、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、航空空航天等8个领域的应用水平，总结了各个领域有待突破的难题。表1是该技术在不同应用领域的对比分析。
表1该技术在不同应用领域的对比分析
1家用电子设备和智能家居领域
无线电力传输技术最早应用于电动牙刷、智能手表、MP3播放器、手机等电子设备领域。充电采用静态感应无线充电。由于电子器件体积小，电能转换的线圈结构、屏蔽方式和集成芯片的优化设计是主要研究方向。
目前，电子设备低功耗无线充电技术已经成熟，充电标准主要采用无线电源联盟()标准和齐标准。在无线充电产品中，功率发射器和接收器的尺寸为2 ~ 10 cm，传输距离一般为mm，通过软件更新可以兼容硬件。
可量产的线圈结构有HQ-S(单线圈)、HQ-D(双线圈)、HQ-F(四线圈)、HQ-O(16线圈)等。，并配有专用异物检测线圈，可检测直径小于15毫米的标准异物和任何金属零件。其中16个线圈支持自由位置，15W快充，多设备同时充电。
另外，接收端采用的无线充电芯片可以兼容各种无线充电标准，能够自动识别发射端的充电协议。2019年，全球航空空航空航天和国防工业先进技术的主要供应商Astronics公司宣布推出一款充电器，可用于商用飞机上乘客的智能手机和其他设备的无线充电。这款15W充电器已经被/[k0/]乘客和波音公司采用。Air 空客机搭载的无线充电模块如图4所示。
图4航空公司空客机搭载的无线充电模块
感应式无线充电技术适用于短距离无线充电，充电效率可达95%以上，但在空之间的自由度上存在不足。磁耦合谐振充电在水平面积和充电垂直距离方面，空之间自由度较高，但传输效率低，成本高。
在智能家居领域，无线电力传输技术在产品智能化方面发挥着重要作用。它改变了传统的通过插拔电线来使用电能的方式，改善了空之间的环境和用户体验，主要利用静态电感耦合实现无线充电。
针对感应中功率级的具体应用场景，研究人员从不同角度做了大量的研究工作，取得了许多理论上可以应用于产业化的成果。
海尔集团作为中等功率水平下智能家居领域无线电力传输技术成果转化的领导者，近年来不断推出众多产业化产品。例如，2010年全球首款“无尾”电视，2012年推出“无尾”厨房电器，2016年推出可通过手机app无线充电的未夕无尾智能马桶座圈。
无线电力传输在智能家居领域有很大的前景。2019年3月，无线电源联盟表示正在为厨房电器准备新的无线电源标准Ki。此外，研究人员正在研究通过微波无线供电为家中的无线鼠标、手机、电脑、台灯和加湿器提供无线电源的技术。
综上所述，目前无线输电的技术主要集中在电子设备领域的静态感应供电系统，并且已经获得了很多产业化的产品，其中一些已经进入电子商品市场，但是高空自由度的充电升级产品还需要进一步的研发。
在智能家居领域，静态感应无线充电系统也占据主导地位，技术成熟，具备商用能力。但由于家电负载功率水平跨度大、拾音终端位置和负载功率需求随机性大、效率要求高的问题，需要进一步优化工作频率、近似恒定的一次谐振电流和负载输出电压、效率优化。
2医疗电子设备领域
无线电力传输技术应用于植入式医疗器械等医疗电子设备和胶囊内镜等医疗传感器领域，可以有效解决患者手术时的电池储能问题。
2003年，日本射频公司利用该技术开发了植入式内窥镜生物遥测系统，以色列、韩国、欧洲相继推出相应的实物产品。2005年，日本的Masaya Watada和韩国的Y. Um提出了人工心脏无线动力传输的设想。
2008年，匹兹堡大学将无线电力传输技术应用于体内植入设备，并在空气体、人头模型和猪体内进行了实验研究。2013年，香港城市大学针对视网膜假体应用中线圈失准导致的弱磁链会严重影响功率效率的问题，提出了一种高偏差容限的新型接收器结构。
2017年，麻省理工学院的科学家在已开发的使用外部源进行无线充电的人工耳蜗的基础上，提出了一种中场耦合的新技术。与近场耦合相比，工作频率和耦合效率都有很大提高。通过实验，成功利用位于猪体外的发射器向位于猪食道、胃和结肠的三个接收器发射功率，发射功率水平分别为37.5 √ W、123 √ W和173 √ W。
此外，马来西亚大学为机器人胶囊内窥镜提出了一种优化的电感耦合WPT系统。印度浦那的NBN·辛格德提出了一种基于磁共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器械无线功率传输系统。
无线充电技术在医疗电子设备领域的研究初期采用静态电感耦合，要求发射器和接收器之间的距离要近。适用于皮下植入充电，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《美国国家科学院院刊》上发表了植入人体的医疗器械无线充电新技术。这种技术可以给只有米粒大小的医疗电子设备充电，并且可以更深入地植入人体，使电能可以长时间传输，甚至无需电池储能，只需将电源靠近皮肤放置，就可以为体内的设备供电，如图5所示。
图5只有米粒大小的医用电子设备
2018年，剑桥咨询公司提出了为人体植入式设备充电的MagLense无线充电系统的概念。该系统具有独特的柔性线圈，可弯曲变形，适用于人体任何部位的植入式装置。
综上所述，目前无线电力传输技术在医疗电子设备领域，通过静电感应对皮下植入物进行无线充电的研究相对成熟，而通过静电共振对消化道深部的电子产品进行无线充电的研究尚处于起步阶段。该领域的研究难点在于接收机尺寸的小型化、电路结构的集成化、材料的生物相容性等。在不会对生物组织造成损伤的安全功率范围内。
3运输领域
近年来，以电能为动力的车辆迅速普及。无线电力传输技术作为一种新型的电能传输方式，已经成为国内外科研机构和各大汽车公司的研究重点。其原理主要采用电感耦合和磁耦合谐振，在功率水平、系统损耗和传输距离上可以互补。
01电动汽车
电动汽车应用无线电力传输技术进行储能，在灵活性和安全性方面具有明显优势，在一定程度上推动了电动汽车的发展。目前，研究人员在静态无线充电和动态无线供电系统的理论研究和技术应用方面取得了很多进展，但具有无线储能的电动汽车仍然面临着巨大的挑战。
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串联或并联组成，用于调节电磁耦合系统收发信机的参数，使其与线圈电感发生谐振，从而降低无功功率，提高传输效率，改变传输特性。
串、串并行、并并行和并串行是现有文献中研究较多的四种拓扑。其中，串并联/串联谐振补偿拓扑在全负载范围内具有接收端的输出恒压特性。一次侧失谐的SS补偿拓扑具有较强的抗偏移能力，无轻载安全问题。
此外，一些性能更好的补偿网络是从基本补偿网络中衍生出来的。LCL谐振补偿网络结构可以通过调节网络参数实现恒流充电模式和恒压充电模式之间的自动切换，传输效率可达92%。
基于LCL拓扑网络，推导了LCC拓扑。实践证明，双边LCC拓扑网络可以解决双边LCL拓扑网络传输功率低、DC磁化的问题，在双向电动汽车无线充电应用中具有很强的适用性。有学者提出S/CLC补偿拓扑可以实现恒压输出、零输入相位和零电压切换，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部件。在静态充电系统中，基于最佳能量效率的耦合线圈材料、形状、尺寸和匝数等参数的优化是现有文献的主要研究方向。
有学者选用利兹线制作方形耦合线圈，采用Z系列结构。当最佳工作频率为55kHz，传输距离在8 ~ 15 cm范围内时，系统最高传输效率可达85%以上。
一些学者使用螺线管来缠绕耦合线圈并增加耦合线圈的匝数。在7kW功率水平和16cm传输距离下，系统效率可达93.8%。此外，一些学者研究了DD型能量发射线圈、BBP型能量接收线圈和DDQ型能量接收线圈。
与静态充电相比，动态供电系统更加复杂，主要体现在发射线圈的结构和工作线圈的切换上。集中供电导轨和分段供电导轨是目前变送器的主要供电结构。前者根据磁芯的形状可以缠绕成E型、U型、W型、I型、S型和dq型。
其中，E型、U型和W型是较早研究的三种结构，主要集中在传动参数的优化上。Dq型双向供电导轨结构可以有效解决受电过程中受电器耦合系数为零的问题；I型和S型结构均为双极磁芯，能量耦合路径沿集流体运动方向，提高了侧向偏移容差和传输效率，同时在施工难度和经济成本上具有优势。
分段供电导轨一般采用多线圈单元并联切换供电方式，可显著降低系统损耗，但对检测控制系统的灵敏度、稳定性和可靠性要求较高。根据系统传输的稳定性，有学者提出了利用基于磁场强度检测的接收机定位策略(测量周期为6ms，分辨率为5mGs)的分段导轨结构。与单一次绕组系统相比，功率提高了25%，效率提高了7%。
对于分段供电导轨的切换，学者们从不同的角度进行了研究。针对分段动态无线充电系统初级线圈链的供电管理，有学者提出了一种基于次级侧主动励磁的分散控制逻辑继电器方法。在实验中，当一次DC电源约为50W时，系统的传输效率为72%。有学者提出了一种基于能量自由振荡模式的电动汽车无线供电轨切换方法，针对快速切换轨时可能出现的过流和过电压问题，实现了供电轨的软切换。
电磁耦合系统中的电磁屏蔽主要约束耦合线圈之间的电磁能量交换路径，从而最大限度地减少漏磁，提高传输效率。
从屏蔽材料的角度，有学者通过有限元计算和实验验证了耦合机构加入铁氧体屏蔽后，能量传输区域的磁场被约束在发射耦合机构和接收耦合机构之间，提高了传输效率。他们设计的具有铁氧体屏蔽结构的传输系统，在传输距离为0.40米，轴向偏移为0.3米，功率从200瓦提高到2500瓦时，效率稳定在80%左右，有学者提出了一种由铁磁和非铁磁混合材料制成的屏蔽结构。当实验传输系统在56千赫，传输距离为6厘米时，系统的传输效率稳定在72%，而只有铝板的系统只有2%。
从屏蔽结构来看，有学者设计了拼接式电磁屏蔽结构，与全平面式相比，具有更好的屏蔽能力，且易于制造和安装。采用这种结构的传动系统效率为90.94%，功率为1297.69W，有学者提出了在能量发射器水平侧设置屏蔽条的屏蔽结构，可以有效降低电动车外部的电磁辐射，但整个结构中涡流效应产生的热量对系统影响较大。
从屏蔽方式来看，有学者提出了一种非耦合单线圈产生抵消磁场的主动屏蔽方式。当传输距离为15cm时，系统效率高于85%。也有学者采用了有源屏蔽的方法，但创新性地提出了一种新的谐振式无功功率屏蔽，采用双线圈和四个电容作为移相器。使用双线圈屏蔽时，与无屏蔽的情况相比，在离地0.15米处总磁场大大降低了80%。
此外，与单线圈屏蔽相比，双线圈屏蔽在离地0.15米处的总磁场下降高达70.4%。在此基础上，有学者提出了一种结合磁性材料的磁通路径和磁场抵消的主动屏蔽方式来实现电磁屏蔽的组合方法。实验中，额定功率为800瓦，无线线圈间距为30毫米，无线功率传输效率为83%。
2)控制策略
鲁棒控制策略的研究是保证无线传输系统可靠性、稳定性和高效性的必然要求。目前，系统控制方法可分为一次控制、二次控制和双边控制。初级控制可以控制初级谐振电流，简化系统结构，产生恒定交变磁场，实现输出功率的鲁棒控制。
一些学者对二次控制策略进行了研究。前者提出了基于二次DC-DC变换器的最大效率控制，提高了传输效率。后者基于二次可控整流和滞环比较器实现输出功率或最大效率的控制。双边控制可分为双边通信控制和双边非通信控制。
有学者结合一次侧和二次侧，提出了基于工作调频和双向无线通信的闭环控制方法，实现电池的无线充电。有学者提出了一种无需双向通信的功率和最大效率双参数同步控制方法。DC-DC变换器调节次级侧的等效交流阻抗，搜索初级侧的最小输入功率，实现最大效率控制和输出恒定功率控制。
对于动态无线输电的鲁棒控制策略，采用PI控制算法，控制参数一般采用极点配置法选取，相对简单，易于实现。然而，目前文献中对建模与控制的研究通常忽略了电动汽车动态无线电源实际应用复杂环境中的各种不确定干扰因素，因此研究系统的动态响应特性对于实际应用以及多参数干扰下的快速鲁棒控制器具有极其重要的意义。
3)技术应用
电动汽车静态无线充电技术相对成熟，宝马、奥迪、丰田、吉利等主要汽车厂商已开始搭载电动汽车，如表2所示。此外，2019年11月，路驰汽车宣布将于2020年推出搭载智能无线充电模块的纯电动SUV(内部代号:路驰M500)。
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