作者：邓亚峰 著
出版社：化学工业出版社
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无线电能传输技术及在电动汽车中的应用试读：
前言
前 言无线电能传输技术是借助电磁场或电磁波进行能量传输，实现从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方式，随着磁集成技术、高频电源技术和电力电子技术等基础理论的发展，无线电能传输技术在进入21世纪后迅速成为国内外的研究热点和重点。该技术目前主要有4种方式，即激光式无线电能传输（Laser Wireless Power Transmission，本文简称“激光式WPT”）、电磁辐射式无线电能传输（Electromagnetic Radiation Wireless Power Transmission，本文简称“电磁辐射式WPT”）、电磁谐振式无线供电（Electromagnetic Resonance Wireless Power Wireless Power Transmission，本文简称“电磁谐振式WPT”）和电磁感应式无线供电（Electromagnetic Induction Wireless Power Wireless Power Transmission，本文简称“电磁感应式WPT”）。激光式无线电能传输技术和电磁辐射式无线电能传输技术可用于远距离电能传输；电磁谐振式无线电能传输技术适于中等距离电能传输；电磁感应式无线电能传输技术可用于近距离电能传输。
随着全球能源日益紧缺和自然环境不断恶化，电动汽车以其绿色环保的优势越来越受到社会各界的广泛关注。目前电动汽车普遍采用传统的导线充电方式，该充电方式存在诸如充电电流大、不能动态充电、容易产生电火花、容易引起漏电等诸多问题。电动汽车动态无线电能传输技术借助感应耦合电能传输技术，电能通过静态的能量发射线圈以无线的方式实时传送给车载储能电池组或电机，实现从路面直接给电动车动态供电，从而使电动车少搭载甚至无需搭载储能电池组、延长续航里程、提高电能供给的便捷性和安全性。
本书的主要内容如下：第1章介绍了无线电能传输技术的研究背景和研究历史，介绍了四类无线电能传输技术，并对国内外无线电能传输技术的研究进展进行了分析；第2章对电动汽车无线电能传输技术原理进行了介绍，并对国内外对电动汽车无线电能传输技术的研究与应用进行了介绍；第3章对电磁谐振式无线电能传输系统耦合模块的谐振频率、传输效率、品质因数等参数进行了研究，对电磁谐振式无线电能传输耦合模块进行了仿真研究，分析了中心偏移量、偏转角对耦合模块的影响，并分别对圆形线圈、矩形线圈、跑道形线圈的耦合模块进行了性能分析；第4章对双增强线圈电磁谐振式无线电能传输系统的传输效率、最大有效传输距离、拓扑结构及参数进行了研究，对多增强线圈非轴向路径电磁谐振式无线电能传输性能进行了研究，对双增强线圈电磁谐振式无线电能传输系统进行了实验研究，介绍了趋肤效应及高频电阻计算方法；第5章对电动汽车动态无线电能传输系统的单元供电导轨模式和多源供电导轨模式进行了研究；第6章介绍了当前几个热点研究方向，介绍了几种电动汽车的无线充电方案，介绍了无线电能传输技术在电动汽车应用中的主要问题，并对电动汽车无线电能传输技术未来发展的方向进行了介绍。
本书的出版得到北京市教育委员会科技计划面上项目［基于动态模式的电动车无线电能传输技术关键问题研究（KM201510011005）］的大力支持，在此对北京市教育委员会表示衷心的感谢。
在本书的撰写过程中，张绪鹏博士进行了部分理论研究，何建琦研究生提供了部分实验和仿真数据，在此表示感谢。
由于时间仓促、作者学识水平及试验条件有限，书中疏漏之处难免，敬请专家、读者不吝批评指正。邓亚峰2018年6月于北京第1章 绪 论1.1 无线电能传输技术的研究背景
无线电能传输技术是一种通过电磁场或电磁波实现能量从电源到负载无电气接触的新型输电方式，相比传统导线输电方式，具有安全可靠等优点，尤其适用于一些特殊的应用场合，因此受到了越来越广泛的关注。
无线电能传输技术（Wireless Power Transmission，WPT）也称无接触能量传输（Non-Contact Power Supply，NCPS）、感应耦合电能传输（Inductive Coupled Power Transfer，ICPT）、无接触能量传输（Contactless Power Transfer，CPT）或松耦合电能传输（Loosely Coupled Inductive Power Transfer，LCIPT）。1.1.1 无线电能传输技术的研究背景
近年来，许多便携式电器（如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备）都需要电池和充电，电源电线频繁地拔插，既不安全也容易磨损，一些充电器、电线、插座标准也不完全统一，这样就造成了原材料的浪费，形成了对环境的污染；在特殊场合下（例如矿井和石油开采中），传统的输电方式在安全上也存在隐患；孤立的岛屿和工作于山头的基站采用架设电线的传统配电方式又存在很多的困难。无线供电技术采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，消除了摩擦、触电的危险，提高了系统电能传输的灵活性，显著减小了用电系统的重量和体积。无线供电传输系统功能性好、可靠性高、柔性好，安全性、可靠性及使用寿命较高，加上无接触无磨损的特性，能够满足多种不同条件下电工设备的用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求。该技术特别适用于那些不同部件之间需要相对独立运动的设备，诸如小到微特电机、精密仪表，大到工厂中的操作臂、机器人，城市交通中的电车、地铁，尤其适用于那些空间受限或是需要完全封闭特殊的应用场合。在上述情形下，无线电能传输技术被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一，2008年12月15日在纪念中国科协成立50周年大会上，无线电能传输技术也被中国科协评选为“10 项引❶领未来的科学技术”之一。1.1.2 无线电能传输技术的研究意义
无线电能传输技术具有以下优点：
①没有裸露导体存在，能量传输能力不受环境因素，如尘土、污物、水等的影响，因此这种方式比起通过电导线连接来传输能量，不存在机械磨损和摩擦，更为可靠、耐用；
②系统各部分之间相互独立，可以保证电气绝缘，且不发生火花；
③变压器初、次级可以相互分离，能够采用多个次级绕组接收能量时可为多个用电负载电能传输，配合自由，可以处于相对静止或运动状态，组织形式灵活多样，适用范围也更广泛。
基于无线电能传输技术的以上优点，所以其在各个领域的应用，都有着传统供电无法比拟的优势。很多低功耗的设备将摆脱电缆的束缚，也不再使用电池；采用无线供电技术的很多设备的安全性能、可靠性将有较大提升；电能将能跨越一些特殊的环境，进行远距离传输；无线局域网也能输送电能，处在网络覆盖中的便携设备的电源使用时间将大大延长，甚至可以连续使用。无线供电技术研究推动了电力电子技术的发展，既具有较好的理论意义，又具有较高的实用价值。
近年来，无线电能传输技术发展迅猛，在军事、通信、工业等各大领域都拥有十分广阔的应用前景。对于消费者来说，无线电能传输技术的意义还不仅仅是带来充电方式的便捷化，随着无线电能传输技术从手机、平板等小功率设备向笔记本电脑、智能电视甚至电动汽车等大型设备的拓展，可以说，无线电能传输技术必将为人们的日常生活带来更多的惊喜。全球无线电能传输市场规模逐年递增，据IHS iSuppli数据显示，2010年无线电能传输设备市场收入达到1.2亿美元，2015年达到237亿美元。从2011 年开始，全球无线电能传输模块销量急剧增长，2019年将增长到9.23亿个（见表1-1）。手机、笔记本电脑等是无线电能传输的主要应用对象，厂商正将无线电能传输技术嵌入到包括智能手机、平板电脑、蓝牙耳机在内的终端。表1-1 全球无线电能传输应用数量的预测 （单位：百万个）
Marketsand Markets最新研究报告也显示，2014～2020年，全球无线电力传输市场年复合增长率高达60.49%，预计到2020年，该市场规模将达到170.4亿美元（约合人民币1050.2亿元）。报告中指出，电子消费产品需求的不断上涨是促进全球无线电力传输市场迅速增长的主要原因，它主要集中在便携式充电设备领域，包括智能电话、平板电脑和可穿戴电子设备等。报告中预计，2014～2020年，消费电子产品的年复合增长率将达到61.18%。从长远来讲，随着其他应用程序的开发和集成，无线电力传输还可以应用于更多领域，包括医疗保健、汽车和国防等。未来，磁共振技术将主导整个无线电力传输市场。
2016 年无线充电发射端与接收端的市场规模为 27.2 亿美元、9.9 亿美元，根据IHS Isuppli预测， 2020 年有望分别达到 99 亿美元、26.9 亿美元， 在 2014～2024 年间两端总规模将以 39.3%的年复合率高速增长，市场成长空间巨大。
无线电能传输技术的研究必将导致大量新的研究领域的出现，产生新的经济增长点，使电能的应用更为广阔，必将在特殊环境中的电工设备馈电限制，开拓如机械制造、能源交通以及在生物医学、家用电器等多方面的应用，并带动相关技术的发展。因此，该系统的研究不仅有重要的科学意义，而且有明确的实用价值和广阔的应用前景，可能带来显著的经济和社会效益。无线电能传输系统的安全性、可靠性和灵活性决定了它的巨大应用潜力。1.2 无线电能传输技术的历史发展
无线电能传输技术一直是人们关注的课题，早在1890年，物理学家兼电气工程师Nicola Tesla就做了无线电能传输的实验，Nicola Tesla在纽约长岛建造了无线电能发射塔（沃登克里弗塔），如图1-1所示，设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离的无线电能传输，该塔矗立在纽约长岛的特斯拉无线电力传输实验室内，塔高57m，球形塔顶直径为21m。Nicola Tesla想用它来实现全球无线电力传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。Nicola Tesla是最早进行远距离无线输电实验的人，因而有人称之为无线电能传输之父。Nicola Tesla构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，建立在地面上的特斯拉电塔可以接收和发射能量（如图1-2所示），利用环绕地球的表面电磁波来传输能量（如图1-3所示）。后人虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性，但世界还没有实现大同，想要在世界范围内进行能量广播和免费获取也是不可能的。因此，一个伟大的科学设想就这样胎死腹中。图1-1 Nicola Tesla进行无线电能传输实验图1-2 特斯拉电塔图1-3 环绕地球的表面电磁波传输能量
其后，Goubau、Sohweing等从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线，又称为八木-宇田天线。
20世纪60年代初期雷神公司（Raytheon）的W.C.Brown做了大量的无线电能传输研究工作，从而奠定了无线电能传输的实验基础，使这一概念变成了现实。雷神公司在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微波能量转换为直流电，1977年雷神公司又在实验中使用GaAs-Pt肖特基势垒二极管，用铝条构造半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8W，获得了90.6%的微波-直流电整流效率。后来改用印刷薄膜，在频率2.45GHz时效率达到了85%。自从Brown实验获得成功以后，人们开始对无线电能传输技术产生了兴趣。1975年，在美国宇航局的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5A计划，喷气发动机实验室和Lewis科研中心曾将30kW的微波无线输送1.6km，其微波-直流的转换效率达83%。1991年，华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz的毫米波，整流天线的转换效率为72%，到了1998年，5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率为82%。
1968年美国航空工程师Peter E. Glaser提出利用微波从太阳能卫星向地面传输电能的想法，即在地球同步轨道上建立空间太阳能发电站（SPS）。在随后的1977～1980年间，美国能源部和国家宇航局共同组织研究对SPS计划进行概念论证，肯定了其可行性。为应对能源危机，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究，极大地促进了无线电能传输技术的发展。
20世纪90年代，新西兰奥克兰大学John T. Boys 等对无线电能传输技术进行了深入研究，率先提出感应耦合电能传输（Inductive Coupled Power Transfer，ICPT）技术，经过多年的努力在理论和实践上取得了较多重大突破。
21世纪初，特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。2007年MIT的科学家Marin Soljacic等利用磁耦合谐振原理实现中距离的无线电能传输，在2m多的距离内将一个60W的灯泡点亮，传输效率达到40%左右。近几年来，世界各国研究人员对WPT 进行了深入研究，在理论和实践上都取得了很大进展。
俄罗斯在无线电能传输方面也进行了大量的研究。莫斯科大学与微波公司合作，研制出了一系列无线电能传输器件，其中包括无线电能传输的关键器件——快回旋电子束波微波整流器。近几年，无线电能传输发展更是迅速。Wildcharge、SplashPower、东京大学相继开发出非接触式充电器。1.3 无线电能传输技术的分类
无线电能传输技术按传输机理的不同，可分为电磁感应式、电磁谐振式、电磁辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等；按电磁场距离场源的远近，可分为近场耦合式和远场辐射式。其中，电磁感应式、电磁谐振式和电场耦合式为近场耦合式无线电能传输，电磁辐射式和激光方式则为远场辐射式无线电能传输。
电磁感应式和电磁谐振式无线电能传输技术利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈，从而实现对负载的无线电能传输。其中，电磁感应式技术发展较为成熟，传输功率较大，在较短的传输距离内传输效率较高，随着传输距离的增大，传输效率迅速变小；电磁谐振式是磁感应耦合式的一种特例，通过发射接收线圈的磁耦合谐振实现高效非辐射能量传输，传输距离比磁感应式要大，属于中等距离无线电能传输技术。电磁辐射式和激光式无线电能传输技术利用电磁场远场辐射效应在自由空间进行电能传输，电磁辐射式无线电能传输技术传输距离较远，传输过程中的大气损耗较小，但微波发散角大，功率密度低；而激光式无线电能传输技术具有定向性好、能量密度高等特点，但定向精度要求高，目前技术仍不够成熟。
目前国内外研究机构研究较多的无线电能传输技术根据基本结构和工作原理分为两大类共四种方式，即分为辐射式和非辐射式，其中辐射式无线电能传输技术分为激光式无线电能传输技术、电磁辐射式无线电能传输技术；非辐射式无线电能传输技术分为电磁谐振式无线电能传输技术和电磁感应式无线电能传输技术。激光式无线电能传输技术和电磁辐射式无线电能传输技术可用于远距离电能传输；电磁谐振式无线电能传输技术适用于中等距离电能传输；电磁感应式无线电能传输技术可用于近距离电能传输。表1-2是以上四种无线电能传输技术和传统供电技术特点的比较。表1-2 无线电能传输技术和传统供电技术特点的比较1.3.1 激光式无线电能传输
激光式无线电能传输的基本结构原理如图1-4所示。激光方式无线电能传输系统的组成部分主要包括激光发射部分、激光传输部分和激光-电能转换部分。其中，激光发射部分由激光驱动器和激光器组成，激光传输部分由光学发射天线、光学接收天线和传输控制模块组成，激光-电能转换部分由光电转换器和整流稳压器组成。激光方式无线电能传输的工作原理是，激光发射模块发出特定波长的激光，激光束通过光学发射天线进行集中、准直整形处理后发射，并通过自由空间到达接收端，且经过光学接收天线接收聚焦到光电转换模块上完成激光-电能的转换。传输控制模块控制激光光束发射方向，使光束与光伏电池板正入射，实现最高的光电转换效率。图1-4 激光式无线电能传输的基本结构原理
图1-4所示激光式无线电能传输系统的总传输效率为η=ηηηη （1-1）e-otro-e式中 η——激光器的电-光转换效率；e-o
η——光学发射的透射效率；t
η——接收天线的透射效率；r
η——光电转换器的光-电转换效率。o-e
因此，为提高系统的总体传输效率，需选用高效可靠的器件，并对各个环节进行优化，从而实现系统的最大传输效率。
激光式无线电能传输技术有待研究的关键问题主要包括激光器的温度控制、激光光束准直技术、激光-电能转换效率的提高，以及光学接收天线的设计等。通过相关的应用试验可以看出，该技术在空间无线能量传输和高空飞行器或无人飞机领域有广泛的应用前景。1.3.2 电磁辐射式无线电能传输
对无线电能传输技术来说，能量传递的效率是最重要的。因此，方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束是实验优先选择的途径。但激光光束在空间传输易受到空气和尘埃的散射，非线性效应明显，且输出功率小，因此，微波传输能量成为首选。
微波是指那些频率在300～3000MHz之间的电磁波，它的波长在1mm～1m之间。电磁波俗称无线电波，它是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。美国一家公司Power Cast开发了这项技术，可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件，即称为Power Caster的发射器模块和称为Power harvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。
电磁波无线能量传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理，例如微波无线能量传输技术，就是利用微波转换装置把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经过微波整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。该技术可以实现极高功率的无线传输，但是在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物，微波在空气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特殊场合，如低轨道军用卫星、天基定向能武器、微波飞机、卫星太阳能电站等许多新的、意义重大的科技领域，具有美好的发展前景。
因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强。微波传输能量就是将微波聚焦后定向发射出去，在接收端通过整流天线（rectenna）把接收到的微波能量转化为直流电能。
作为一种点对点的能量传输方式，微波能量传输具有以下特点：
①以光速传输能量；
②能量传输方向可迅速变换；
③在真空中传递能量无损耗；
④波长较长时在大气中能量传递损耗很小；
⑤能量传输不受地球引力差的影响；
⑥工作在微波波段，换能器可以很轻便。
20世纪60年代，William C向世人展示了电磁波传输电能示意图，如图1-5所示，该电磁波传输系统包括微波源、发射天线、接收天线和整流器等几部分，其中最关键的是把微波或激光束的能量转变为直流电的整流器。微波源是可供无线输电技术选用的电磁波发生器，电磁波源内有磁控管，在2.45GHz频段输出5～200W的功率，在厘米波段，理想磁控管和放大管的效率分别为90%和80%，而理论上效率最高的磁旋束管放大器可达到100%，放大系数无限大；在毫米波段，回旋管的实际效率已达到40%；在光波波段，阳光直射时激光器的效率约20%。微波源输出的能量通过同轴电缆连接到适配器上，亚铁酸盐的循环器连接在波导管上，使波导管和发射天线相匹配。发射天线包含8个部分，每个部分上都有8个缝隙，这64个缝隙均匀地向外发射电磁波。这种开孔的波导天线很适合用于无线电能传输，因为它有高达95%的孔径效率和很高的能量捕捉能力。硅控整流二极管天线用来收集微波并把它转换成直流电，在展示的电磁波输能系统中该接收天线拥有25%的收集和转换效率，这种天线在2.45GHz测试时曾经达到甚至超过90%的效率。传输距离比较远之后，增强天线的方向性和效率会十分困难。图1-5 电磁辐射式无线供电模型
对电磁辐射式无线电能传输技术进行定量分析时，效率是一个至关重要的因素。如图1-5 所示电磁辐射式无线电能传输系统的总传输效率为η=ηηηηη （1-2）gtsrd式中 η——微波功率源的转换效率；g
η——微波发射天线的透射效率；t
η——微波在自由空间中从发射端到接收端的传输效率；s
η——微波接收天线的接收效率；r
η——整流电路的整流转换效率。d
式（1-2）中，微波发射/接收天线的效率η、η取决于天线的优tr化设计，即发射/接收天线的口径场分布设计；而微波在自由空间中的传输效率可达100%。
用D代表微波在自由空间传输的距离，A、A分别代表发射天线tr和接收天线的面积，λ表示工作波长，则微波在自由空间的传输效率η是参数τ的函数，τ的函数表达式为：。如图1-6所示为它们之间的关系图，假设发射天线的口径场分布为高斯型。
从曲线可以得出这样一个结论，传输效率和传输距离没有直接的联系，而是由决定。故距离D增大的效应可由A、A的增tr加或λ的减小来补偿。微波传输能量的总效率等于直流到微波、微波传输和接收整流三部分效率之积。图1-6 自由空间微波传输效率和τ的关系
表1-3给出了微波输能总效率的分布。由表1-3可以看出，当前微波传输能量的效率还不高，但是还是很有发展潜力的。表1-3 微波输能总效率和各部分的效率
早在1968年，美国航天工程师Peter Glaser就已经更进一步，提出了空间太阳能发电 （SSP，Space Solar Power）的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。这一设想，不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量，而是要把能量在三万多千米之外，从太空精确地射向地面接收站。
加拿大科学家正计划制造一架无人飞机，飞行高度33km，可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程无线供电飞机，本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过微波接收天线接收能量，转换成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。因为无需携带燃料和发动机，这种飞机的有效载荷将会大大提升。
尽管电磁辐射式无线电能传输技术的研究起步较早，相关的研究成果较多，但是主要集中在空间无线能量传输和高空飞行器及无人机功能等应用领域。目前，国内外学者对电磁辐射式无线电能传输技术研究较多的主要包括微波整流天线、微波发射天线以及微波功率源，其中微波发射天线和微波功率源已有比较成熟的技术，但是整流天线技术、发射天线极化的方向控制与跟踪，系统各部件的有机结合，以及如何提高整体转换效率仍有待研究。1.3.3 电磁谐振式无线电能传输
谐振是一种非常高效的能量传输方式，它的基本原理是：两个振动频率相同的物体之间可以高效地传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。根据谐振的特性，能量传输是在一个谐振系统内部进行，对谐振系统以外的物体没有影响。
如图1-7所示为电磁谐振式无线供电模型，A是一个半径为25cm的单匝铜环，它是激励电路的一部分，输出频率为9.9MHz的正弦波。S和D是自谐振线圈。B是连接到负载（灯泡）的单匝导线环。不同的k代表箭头表示的对象之间的直接耦合。调整线圈D和A之间的角度，保证它们之间的直接耦合等于零。线圈S和D同轴排列。线圈B和A以及B和S的直接耦合是可以忽略不计的。
将发送端和接收端的线圈调校成一个谐振系统，当发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生谐振，从而实现能量最大效率地传输。图1-7 电磁谐振式无线供电模型
图1-8是LC谐振耦合模型示意图。谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最小，但对每一支路而言，其电流都可能比总电流大得多。谐振时流过并联补偿电容的电流注入或吸收了初级绕组中电流的无功分量，从而降低了对供电系统的电流要求。图1-8 LC谐振耦合电路
如果不考虑周围空间的结构，并且在干涉损耗和散失在周围环境中的损耗很低时，电磁谐振式无线电能传输系统可以在接近全方向的状态下实现并达到很高的效率。
电磁谐振式无线电能传输系统可以借助耦合模型理论加以描述。当初级端和次级端谐振时，传输的功率最佳。如果从能量在系统内的衰减程度来计算传输效率，那么此时的效率η可表示为 （1-3）式中 Γ——源的衰减率；S
Γ——被驱动装置的衰减率；D
Γ——无负载装置时的附加项；W
k——初、次级绕组之间的耦合系数。
由式（1-3）可见，当时，η具有最大值，且传输效率高的关键是：。
麻省理工学院（MIT）以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了灯泡的电磁谐振式无线供电技术，他们从6ft（1ft=0.3048m，下同）的距离成功地点亮了一个60W灯泡，如图1-9所示。演示装置包括直径为3ft的匹配铜线圈，以及与电源相连的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现，即使两个谐振线圈间有障碍物存在时，也能让灯泡继续发光。
如果线圈的谐振频率是利用线圈自身的电感和高频杂散电容所形成的线圈自谐振频率，虽然谐振频率高达兆赫兹级，但是系统稳定性和可控性很不理想，系统的传输效率对频率的选择性较高，如图1-10所示，尤其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下降。图1-9 电磁谐振式无线电能传输系统图1-10 传输效率随频率的变化
这项称为WITricity的无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。MIT研究人员认为，他们发现的是一种全新的无线供电方法——非辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段，一个号角波导产生一个衰减（Evanescent）电磁波，倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式，即衰减场传播波模式，能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说，衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上，这个过程与量子隧道效应相同，只是电磁波替代了量子力学中的波函数。这个方法也称为共振感应耦合，以区别于普通电磁感应耦合，它使用单层线圈，两端放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，减少能量的浪费。
MIT的研究具有划时代意义，推出了同时实现以下两种设想的系统：
①利用高 Q 值（500～2500）的谐振技术；
②积极利用不向远处传播的“磁近场”，在发射源附近，有一个近区场，其中磁场能量在发射源周围空间及发射源线圈内部之间周期性地来回流动，不向外发射（如附近无谐振接收装置），也称为感应场。
MIT的研究人员一反常规，最大限度地利用了近场，并开发出了无线电力传输系统。开发这种系统，需要在线圈的形状以及特定振动模式的激发方面下工夫。这是一种基于电磁感应的能量传输，实际上融合了谐振技术，与电磁感应完全不同。其实，MIT 的电力传输系统“可以发出强度与贯穿线圈内部的磁通量变化幅度成正比的电动势”，传输的电力远远超过法拉第电磁感应定律。使用基于电磁感应的非接触电力传输时，利用圈数为数百的线圈并且缠绕紧密，才能勉强在数毫米的距离上得到超过60%的传输效率。而MIT的系统在进行2m传输时效率约为40%。距离为1m时更是实现了令人震惊约90%的高效率。作为发射\接收的线圈也只是缠绕的5圈粗铜线。可见，与电磁感应不同，该技术并不单纯依靠磁通量强度取胜。
MIT的科学家们对无线电能传输理论的研究给出了富有启发性的结论。
①可行性。通常情况下，电磁辐射具有发散性，相隔较远的接收器只能接收到发射能量的极小一部分。而当接收天线的固有频率与发射端的电磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。MIT的实验表明，当收发双方相隔2m时，传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此，在几米内“中程”（相较于“近程”和“远程”而言）传输电力是可行的。
②安全性。从电磁理论而言，人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何风险。医院对病人进行核磁共振检查时，磁场强度高达B≈1T也不会伤害人体。相比之下，共振状态下磁场强度处于B-4≈10T数量级，仅相当于地磁场的强度，因此不会对人体构成危害（如图1-11所示）。图1-11 Marin Soljacic（第二排左一）与MIT研究小组成员在两个实验线圈之间留影，以消除人们对磁场辐射的担心
MIT的Marin Soljacic 教授等人在提出MCR-WPT之后，又进一步研究了单一电源给2个负载供电的情况。参考文献［160］则结合多个中继谐振线圈和多个接收线圈的结构，如图1-12所示，对该传输系统进行研究分析，同时说明了该系统不受弱导磁性物体的影响。图1-12 多中继谐振线圈和接收线圈无线电能传输系统结构
虽然麻省理工学院的实验获得了成功，也有研究人员认为，MIT的实验可用电磁波近距离（在波长的范围内）辐射原理来解释，此前已有类似的技术，比如无源RFID标签。谐振耦合虽能增加传输距离，但因增加了一个电容器，从而也增加了体积。此外，谐振回路有一个重要参数品质因子，高品质因子表明谐振时能量损耗少，另一方面，高品质因子意味着谐振带宽窄，会带来系统设计的难度。除了上述因素，还要考虑以下问题。
①安全性：人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因素。
②串扰：串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的，应予以关注和解决。
③效率：线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强，垂直时几乎没有耦合，被供电设备的放置会对效率有很大影响。
所以该技术的改进空间依然很大。下一步，有望在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备内置接收端的目标。
就在MIT科学家的研究工作取得实质性进展的辉煌时刻， Power Cast公司也推出了一种适合中短距离使用的无线充电装置。与前面提到的Splash Power和Wild Charge两家公司的接触式充电器不同，Power Cast公司的射频充电器不需要充电垫子，电子设备搁置在距离发送器约1m范围内的任何地方都可以充电。
Power Cast公司的无线电能传输系统包括一个安装在墙上的发送器以及可以安装在电子产品上的接收器（如图1-13所示）。发送器这边利用915MHz频段把射频能量发送出去，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。图1-13 Power Cast公司开发的收发双方通过共振圈无线电能传输系统
西雅图Intel实验室的研究小组，于2008年8月，运用谐振耦合技术研制出能够为小电器充电的无线传输装置。该实验小组研制的另一个电磁谐振耦合无线传输装置能在相距1m时，点亮一个60W的灯泡，效率为75%，如图1-14所示。图1-14 西雅图Intel实验室的电磁谐振式无线电能传输实验
电磁谐振式无线电能传输技术待解决的关键问题主要有系统参数变化敏感问题、不同负载识别和多负载的阻抗匹配问题、电磁环境安全问题以及电磁兼容问题等。1.3.4 电磁感应式无线电能传输
交流电源中一个重要部件——变压器就是利用电磁感应的基本原理工作的，变压器由一个磁芯和两个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。
电磁感应式无线电能传输系统的工作频率为50Hz～200kHz。作为无线电能传输技术的重要的组成部分，电磁感应式无线电能传输技术采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，消除了摩擦、触电的危险，提高了系统电能传输的灵活性，它能显著地减小用电系统的重量和体积。
电磁感应式无线电能传输技术就是利用电磁感应原理实现电能从一个子系统传输到另一个子系统。这种技术目前已经在一些商业化产品和系统中使用，典型的是变压器，如图1-15（a）所示。变压器感应电能传输系统的特点是：初、次级绕组之间位置相对固定，紧密耦合，传输效率高。如图1-15（b）所示，电磁感应式无线电能传输技术正是利用了变压器的感应耦合这一特点，将传统变压器的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，电源和负载单元之间不需要机械连接进行能量耦合传输。在19世纪末20世纪初，Tesla就提出交流磁场驱动小灯，但是由于技术和材料的限制，效率很低。随着电力电子技术、高频技术和磁性材料的巨大发展以及多种场合下电工设备感应式供电需求的增长，这种新型的能量传输技术正逐步兴起。图1-15 传统变压器和电磁感应式无线电能传输系统模型比较
为了便于分析，将图1-15所示的电磁感应式无线电能传输系统示意图简化成如图1-16所示的电路分析模型。图1-16 电磁感应式无线电能传输系统装置的电路耦合模型
图1-16中初级绕组中的电流为I，初、次级绕组间的互感为M。1jωMI为初级电流I在次级绕组中感应产生的电压，-jωMI为次级绕组
112中的电流I在初级绕组中的感应电压值。初级绕组的电阻和电感分别2为R和L，次级绕组的电阻和电感分别为R和L，负载电阻为R，1122L负载电压为U。电磁感应式无线供电装置的电压平衡方程为2 （1-4）
电磁感应式无线电能传输系统的传输效率为 （1-5）式中 η——传输效率；
P——负载上的功率；L
P——输入功率；1
I——负载电流；L
R——负载电阻；L
R——反应电阻；e
I——初级绕组电流；1
U——输入电压。1
到目前为止，对电磁感应无线电能传输技术的研究取得的成果较多，其应用也较为成熟，但仍然存在一些待研究的关键问题，如可分离变压器的漏磁与耦合系数低问题、可分离变压器原副边的对准容差问题以及电磁兼容问题等。
根据工作过程中初、次级绕组之间相对位置的不同存在方式，电磁感应式无线电能传输系统按结构可分为三类：静止式、滑动式（直线式）和旋转式。
静止式的电磁感应式无线电能传输系统主要用于能够保证初次级绕组相对位置固定不变的场合，如各类小型电子类产品。该类型的耦合变压器分为耦合线圈有磁芯和耦合线圈无磁芯两种。
滑动式电磁感应式无线电能传输系统一般设计为细长型结构，如图1-17所示，该类型的设计可以满足移动电气设备馈电灵活性的需求，实现对运动中电气设备的动态供电。
旋转式电磁感应式无线电能传输系统的初次级绕组可以绕轴心做相对旋转运动，如图1-18所示，这种结构方式为旋转式用电设备电能需求提供了便利条件。
上述三种无线电能传输技术中，电磁感应式无线电能传输技术主要通过电力电子技术进行电能变换，然后利用可分离变压器的感应耦合作用实现无接触电能传输，主要用于交通运输、水下作业、生物医学、消费电子设备以及一些特殊工业应用等领域。电磁谐振式无线电能传输技术具有非辐射能量传输的特性，且能量的传输不受空间非磁性障碍物的影响，对外部环境的电磁辐射影响较小，传输效率较高，但传输功率仍有待提高，主要用于电动汽车、医疗电子设备和消费电子设备等领域。电磁辐射式无线电能传输技术主要通过自由空间将电能以微波的形式进行传输，传输损耗只有大气、粉尘微粒、雨衰和遮挡物损耗等，微波波束强度和方向容易控制，使功率密度满足国际安全标准的要求，主要用于空间太阳能电站、高空飞行器或无人飞机供电等领域。激光式无线电能传输技术主要以激光能的形式传输能量，方向性强、能量集中，所需传输和接收设备只有微波的1/10，主要用于空间太阳能电站、特殊军用设备的无线电能传输领域等。图1-17 滑动式电磁感应式无线电能传输结构图1-18 旋转式电磁感应式无线电能传输结构1.4 国内外无线电能传输技术研究进展
近年来，无线电能传输技术以其安全性好、可靠性高、维护费用低以及环境亲和性强等优点得到了快速发展，国外越来越多的学者和公司开始关注和发展非接触电能传输技术。目前新西兰、德国、美国和日本等国家相继投入大量的人力和物力，开展此领域的基础研究与实用技术开发，并针对一些特殊领域开发了相应的产品。1.4.1 无线电能传输技术的研究现状
无线供电技术虽然已经诞生了100多年，但是无线电能传输技术的研究受到各国的重视却始于20世纪90年代后期。国外研究以新西兰为代表，该国奥克兰大学Pro. Boys及其领导的课题小组对该技术开展了系统深入的研究，日本、德国和美国等国也相继投入经费，组织科研人员在该领域展开科学研究，从事无线供电的应用产品开发，并取得一系列的技术成果和应用产品。2001年西安石油学院李宏教授在国内第一次介绍感应电能传输思想以来，部分高校进行了该技术的研究工作，一些公司、企业和个人也开展研究，目前取得的技术成果及应用产品较少，但发展进步速度很快。
无线电能传输系统的研究应用涉及领域广泛。从传输功率方面来说，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率甚至于磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。
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