感应和谐振无线电能传输技术的发展

华南理工大学电力学院、直流输电技术国家重点实验室—南方电网科学研究院的研究人员张波、疏许健、黄润鸿，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文指出，随着科技的不断发展和进步，无线电能传输技术已成为国内外最受关注的研究课题，是未来电力发展的必然趋势。

首先介绍无线电能传输技术的起源，追溯到电磁波的发现；接着分析无线电能传输技术的三种主要形式，包括感应无线电能传输技术、谐振无线电能传输技术和微波无线电能传输技术。

在此基础上，对三种形式的无线电能传输技术的发展现状进行论述，详细阐述目前国内外无线电能传输技术的研究成果，并对比分析目前研究最广泛的感应和谐振无线电能传输技术在原理、系统构成、分析方法以及运行条件上的异同，最后对无线电能传输技术在各个领域的应用进行了展望。

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术是指无需导线或其他物理接触，直接将电能转换成电磁波、光波、声波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术，因此又被称为非接触电能传输（ContactlessEnergy Transfer, CET）技术。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点，因此得到了国内外学者的广泛关注[1,2]。

无线电能传输是人类一百多年来孜孜不倦追求的目标，该技术是一个多学科交叉的前沿技术，涉及电学、物理学、材料学、生物学、控制科学等多个学科和领域。无线电能传输可以有效地克服裸露导体造成的用电安全、接触式供电的火花、接触机构的磨损等问题，并避免在潮湿、水下、含易燃易爆气体的工作环境下，因导线式或接触式供电引起的触电、爆炸、火灾等事故。

无线电能传输技术的出现还促进了大量新型应用技术的产生，如植入式医疗设备的非接触式供电、超高压/特高压杆塔上监测设备的非接触式供电、家用电器的非接触式供电、移动设备的非接触式供电及电动汽车的无线充电等。伴随着智能电网和能源互联网的发展，电动汽车的无线充电技术将极大地促进新能源汽车产业的发展。

此外，在太空领域，还可以通过无线电能传输方式把外太空的太阳能传输到地面、在航天器之间实现无线电能传输；在军事领域，无线供电可以有效地提高军事装备和器械的灵活性和战斗力。因此，世界主要发达国家都十分重视无线电能传输技术的研究，美国麻省理工学院主办的《麻省理工技术评论》杂志已将无线电能传输技术列为引领世界未来的十大科学技术之一[3]。

1 无线电能传输技术的起源

无线电能传输技术的起源可以追溯到电磁波的发现。1865年，麦克斯韦在前人实验的基础上，归纳出著名的麦克斯韦方程组，理论上预见了电磁波的存在。1888年，赫兹通过实验成功地“捕获”了电磁波，从而为电信号的无线传输奠定了坚实的基础，也为电能的无线传输提供了发展的可能。

继电磁波发现不久，伟大的发明家特斯拉就开始了无线电能传输技术的探索[4]，在其专利“电气照明系统”中通过改进赫兹波发射器的射频电源[5]，提出了无线电能传输的伟大设想；1893年，特斯拉在哥伦比亚世界博览会上，在没有任何导线及其他物理连接的情况下，隔空点亮了一盏磷光照明灯[6]。

特斯拉展示的照明灯无线电能传输实验装置如图1所示[7]，发射端由高频交流电源、变压器、发射线圈P、电火花间隙开关S. G和电容器C组成；接收端由接收线圈S和一个40W的灯泡组成；发射线圈与接收线圈直径均为24in（1in=0.0254m，24in大约60cm），匝数见图1中标注。

当发射线圈电感L与电容器C以高频交流电源的频率发生串联谐振时，电容器C上产生的谐振电压将击穿电火花间隙开关S. G，使发射线圈P与电容器C经S. G短路发生串联谐振，发射线圈P上流过的谐振电流产生磁场，耦合到接收线圈S，转换成电能将灯泡点亮。该装置可以在发射线圈和接收线圈相距1ft（1ft=0.3048m，大约30cm）范围内工作。

图1特斯拉无线电能传输实验装置

1898年，特斯拉又把无线电能传输技术应用到人体电疗中，成果在美国电疗协会第8次年会上首次展示，并刊登在《电气工程师》第544期和550期上，1999年被《Proceedings ofthe IEEE》作为经典论文重印[8]。

特斯拉提出无线电疗装置如图2所示，发射线圈为一个直径不小于3ft（大约90cm）的大铁环H，铁环上绕有几匝粗大的电缆线P，两端并联一个由大面积极板形成的可变电容器，然后与电源相联；接收线圈为一普通漆包线绕制的线圈S，用两个木箍h和硬纸板固定，连接到人体。该装置工作时，发射线圈与可变电容器在电源频率下发生并联谐振，流过发射线圈的谐振电流产生磁场，耦合到接收线圈，转换为电能对人体进行电疗。

图2特斯拉的无线电能传输电疗实验装置

1899年，特斯拉在科罗拉多州开展了大规模无线电能传输的尝试，发明了谐振频率为150kHz的特斯拉线圈[9]，并在长岛建造了著名的特斯拉塔如图3所示。虽然最终由于资金匮乏，利用特斯拉塔进行大功率无线电能传输的实验没有实现，但留给人们无限的遐想。

特斯拉甚至还设想将地球作为内导体、地球电离层作为外导体，在它们之间建立起8Hz的低频电磁共振（舒曼共振），实现全球无线电能传输。因此，特斯拉毫无疑问是无线电能传输的开拓者，是无线电能传输原理和技术的奠基者[10]。

图3著名的特斯拉塔

2 无线电能传输技术的形式

无线电能传输技术主要分为三种基本形式：

（1）感应无线电能传输技术。该技术可通过两种原理实现：①基于电磁感应原理，将发射线圈和接收线圈置于非常近的距离，当发射线圈通过电流时，所产生的磁通在接收线圈中感应电动势，从而将电能传输到负载；②基于电场耦合原理，通过两个可分离电容极板的电场变化，实现电能无线传输。

（2）谐振无线电能传输技术。该技术同样可通过两种原理实现：①基于磁谐振原理，在近场范围内，使发射线圈与接收线圈均工作于自谐振或谐振状态，实现电能的中距离无线电能传输；②电场谐振原理，通过使两个带有电感的可分离电容极板工作于谐振状态，通过电场谐振实现电能的无线传输。

（3）微波无线电能传输技术。该技术的基本原理是将电能转换成微波，然后通过天线向空间发射，接收天线接收后转换为电能给负载供电，实现远距离的无线电能传输。与该技术原理相同的无线电能传输方式，还有基于射频技术的无线电能传输、基于激光的无线电能传输和基于超声波的无线电能传输等。

以上三种形式的无线电能传输技术，按照工作于电磁场非辐射区或是辐射区来进行分类，可以将它们分为非辐射式无线电能传输技术和辐射式无线电能传输技术，其中感应无线电能传输技术、谐振无线电能传输技术属于非辐射式，而微波无线电能传输技术则属于辐射式。

不同的无线电能传输技术性能各异，感应无线电能传输技术的传输功率大，最大功率可达几百kW以上，且效率较高，最大效率在90%以上，但传输的距离很短，一般在几cm以下[11]；谐振无线电能传输技术现阶段电能传输距离从十几cm到几m，传输功率从几十W到几kW，效率从40%到90%以上；微波无线电能传输技术传输的距离较远，为km级，传输功率从mW级到MW级，但效率极低，一般低于10%。目前最具有发展和应用前景的是感应无线电能传输技术和谐振无线电能传输技术。

3 无线电能传输技术的发展历程

3.1 感应无线电能传输技术

1894年，继特斯拉之后，M. Hutin和M. Leblanc申请了“电气轨道的变压器系统”专利，提出了牵引电车的3kHz交流电源感应供电技术[12]。间隔大约半个世纪，1960年，B. K. Kusserow提出植入式血泵感应供电方式[13]，开始了感应无线电能传输技术在植入式医疗设备供电中的应用研究。随后不久，J. C. Schuder等在哥伦比亚密苏里大学进行一项被命名为“经皮层能量传输”的研究项目[14,15]，提出利用接收线圈串联电容来实现谐振无功补偿，从而达到高效电能传输[16,17]。

1970年，纽约大学的A. I. Thumim等发表了植入式医疗设备感应供电的论文，提出了在发射线圈、接收线圈同时进行串联电容无功补偿的技术，并研究了耦合系数对电能传输性能的影响[18]。1971年，射频技术的应用促进了感应无线电能传输技术在医疗设备上的发展[19]，旋转变压器在同期诞生[20]，用于取代电刷。

1972年，新西兰奥克兰大学的Don Otto申请了采用可控硅逆变器产生10kHz的交流电给小车感应供电的专利（NZ19720167422,JP49063111），首次验证了给移动物体感应供电的可能性。1974年，出现了电动牙刷的感应无线充电技术[21]，装在杯型底座的电源通过电磁感应给牙刷中的电池充电。1978年，电动汽车的感应无线充/供电也引起了学术界极大的兴趣[22]。

进入20世纪80年代，对电动汽车感应无线电能传输理论的探索和应用实践又有了进一步发展[23-25]。同时在植入式医疗器械非接触供电技术方面也有了较大突破，1981年，Ian C. Foster进一步提出了在接收线圈进行并联电容补偿的方法，提高了传输效率和位移容差[26]。1983年，英国医学研究理事会的N. N. Donaldson和T. A. Perkins提出了发射线圈进行串联电容补偿、接收线圈进行并联电容补偿的技术，证明存在最优的耦合系数和最大接收功率，但效率较低只有50%[27]。

1989年，A. Ghahary发展了用串联谐振变换器实现经皮能量传输和对副边线圈进行串联电容补偿的技术[28,29]。1996年，G. B. Joun又提出了一次侧和二次侧同时进行串联电容补偿的技术[30,31]。

新西兰奥克兰大学的J. T. Boys教授，是20世纪90年代以来对感应无线电能传输技术的发展推动最大的学者之一，他系统地开展了对感应无线电能传输技术的研究[32-34]，他的研究团队完善了感应无线电能传输的拓扑补偿和稳定性理论[35-37]。

J. T. Boys教授于1991年申请的“感应配电系统”的专利，已成为近20年来感应无线电能传输技术发展史上的一个里程碑[32]，该专利首次系统地提出了感应无线电能传输装置的结构和设计方法，该结构如图4所示。发射线圈由三相交流电供电，具有并联补偿的能量拾取线圈或接收线圈，接收线圈输出经整流和开关模式控制给负载供电，该结构在轨道电车非接触供电和电动汽车无线充电中得到成功的应用。

图4感应配电系统

21世纪以来，感应无线电能传输技术开始走向产品化。2003年，英国SplashPower公司开始进行感应无线电能传输的产品开发，2005年研制的无线充电器“SplashPad”上市[38]，可以实现1mm内的无线充电；同年，美国WildCharge公司开发的无线充电系统，功率达到90W，可以为多数笔记本计算机以及各种小型电子设备充电[39]，而香港城市大学的徐树源教授则成功研制了通用型非接触充电平台[40]，充电时间与传统充电器无异。

2006年，日本东京大学的学者利用印制塑性MEMS开关管和有机晶体管，制成大面积的无线电能传输膜片[41,42]，该膜片上印制有半导体感应线圈，厚度约为1mm、面积约为20cm2、重约为50g，可以贴在桌子、地板、墙壁上，为装有接收线圈（用于接收电能）的圣诞树上的LED灯、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。

2007年微软亚洲研究院设计和实现了一种通用型“无线供电桌面”，可随意将笔记本、手机等移动设备放在桌面上即可自动开始充电或供电[43]；同年3月，美国宾夕法尼亚州的Powercast公司开发的无线充电装置可为各种小功率的电子产品充电或供电，该技术采用915MHz的频率，实现1m范围内的无线电能传输，据称约有70%的电能转化为直流电能，该技术已获得美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）的批准[44]。

在大功率感应无线电能传输产品开发方面，主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下运行的设备供电，例如电动汽车、起重机、运货车以及水下、井下设备[45-51]。目前商业化产品的传输功率已达200kW，传输效率在85%以上，典型的有日本大阪幅库（Daifuku）公司的单轨型车和无电瓶自动货车，新西兰奥克兰大学所属奇思（Univervices）公司的罗托鲁瓦（Rotorua）国家地热公园的40kW旅客电动运输车以及德国瓦姆富尔（Wampfler）公司的载人电动列车，其总容量为150kW，气隙为120mm[52]。

此外，还有美国通用汽车公司（GM）推出的EV1型电动汽车感应充电系统、电车感应充电器Magne-chargeTM，Magne-chargeTM的工作频率可以在80～350kHz范围变动，传输效率达99.5%。

2008年12月17日，无线充电联盟（Wireless Power Consortium, WPC）成立，是首个以感应无线电能传输技术为基础的无线充电技术标准化组 织[53]。2010年7月，WPC发布了Qi标准，同年9月Qi标准被引入中国，至2014年2月，WPC的成员已经超过了200家企业或组织。2012年又成立了电源事项联盟（Power MattersAlliance, PMA），也是以感应无线电能传输技术为基础的无线充电技术标准化组织，2013年PMA制定出自己的无线充电标准[54]。

国内关于感应无线电能传输技术的研究文献最早可查的是2001年，西安石油学院的李宏教授介绍了感应无线电能传输技术[52]。此后，华南理工大学、重庆大学、天津工业大学、哈尔滨工业大学、中科院电工所、西安交通大学、浙江大学、南京航空航天大学等陆续开展了大量研究[55-64]。

目前重庆大学孙跃教授领导的团队在感应无线电能传输实验方面，开展了大量的研究，并与新西兰奥克兰大学的Patrick Aiguo Hu进行了深层次的学术交流与科技合作，取得了较好的成果。2011年10月在天津召开的国内首次“无线电能传输技术”专题研讨会[65]，参会的专家们讨论了无线电能传输技术的新进展和存在的一些问题，并达成了“天津共识”，对无线电能传输技术在国内的深入研究和继续推广具有重要的意义。

3.2 谐振无线电能传输技术

100多年前特斯拉提出的无线电能传输技术，可以说是谐振无线电能传输技术研究的开始，但特斯拉去世后，相当长一段时间谐振无线电能传输技术被人遗忘，没有取得实质性的进展。而进入21世纪，特斯拉利用谐振原理实现无线电能传输的设想再次被人关注。

2006年，麻省理工学院物理系Marin Soljacic教授找到了“抓住”发散电磁波的方法，利用物理学的磁谐振原理，让电磁波发射器与接收器同频谐振，使它们之间可以进行能量互换。他领导的研究小组进行的无线电能传输实验表明，两个相同设计的铜线圈（线圈直径60cm；线径6mm），在同频谐振情况下，可以将距离7ft（大约2m）的60W灯泡点亮，且整个系统的效率达40%左右，实验装置如图5所示[66]。

Marin Soljacic教授的研究实证了特斯拉磁谐振无线电能传输的设想，是无线电能传输技术发展史上具有里程碑意义的突破。2007年该成果被刊登在《Science》杂志上，掀起了国际上无线电能传输技术研究的热潮，开始了谐振无线电能传输技术研究的激烈角逐。

2008年8月，Intel公司在英特尔开发者论坛上，

图5MIT磁谐振无线电能传输实验

展示了与麻省理工学院类似的磁谐振无线电能传输装置，实现了在1m距离传输60W电能的同时，还保持了75%的效率，是磁谐振无线电能传输技术的又一进步[44]。2009年，日本东京大学的Yoichi Hori教授利用15.9MHz的谐振频率，对电动汽车进行磁谐振无线充电，传输距离为200mm，传输功率为100W，效率达到97%左右[67]；同年，马里兰大学的Sedwick首次提出了用超导体实现长距离磁谐振无线电能传输的可行性，并对此进行了详细的理论分析[68,69]。

2010年，Marin Soljacic教授团队开展了另一项磁谐振无线电能传输实验，以6.5MHz的谐振频率和超过30%的效率，实现了2.7m的无线电能传输[70]。2011年，有学者在0.3m的距离内，以3.7MHz的频率实现了功率220W、效率95%的磁谐振无线电能传输[71]；同年，韩国学者实验验证了两个超导线圈间的磁谐振无线电能传输机理[72]，并在2013年又实现了4个线圈的超导磁谐振无线电能传输，且仅在接收端采用了超导线圈[73]。

国内学者也对此进行了研究[74]，并申请了相关专利[75]。超材料应用于磁谐振无线电能传输中的技术也因此被提出来，并在实验上取得了很好的成果[76-80]。国内大型企业海尔公司“无尾电视”采用的也是MIT的磁谐振技术[81]，现在正积极推广其“无尾厨电”。

2012年6月，三星公司发布了采用磁谐振技术无线充电手机Galaxy S III，是磁谐振无线电能传输技术在商业上的首次成功应用；同年，以谐振无线电能传输技术为基础的无线充电联盟（Alliance forWireless Power, A4WP）也成立起来[82]，并于2013年推出了Rezence无线充电标准。

与磁谐振无线电能传输技术一样，基于电场谐振的无线电能传输技术也得到了关注[83-85]，但目前相关成果并不多，有代表性的是2008年美国内华达州雷电实验室，研制成功了基于电场谐振的无线电能传输装置，将775W的功率传输到5m远的距离，效率达到22%[86]，电场耦合无线电能传输装置如图6所示。

由于电场对环境的影响和要求不同于磁场，电场谐振无线电能传输技术只能在一些特殊的场合应用，局限性较大，因此目前被广泛研究的主要是磁谐振无线电能传输技术。

国内对谐振无线电能传输技术的研究始于2007年，华南理工大学张波教授团队采用与Marin Soljacic教授团队的耦合模理论不同的电路分析方法，建立磁谐振无线电能传输系统的电路模型[87]，并提出了频率跟踪控制的方法。

哈尔滨工业大学朱春波教授采用直径为50cm的谐振线圈，实现了310kHz谐振频率、1m距离、50W功率的传输[88,89]。天津工业大学杨庆新教授的团队对从几十kHz到13.56MHz的磁谐振无线电能传输系统进行试验研究[90,91]。东南大学黄学良教授带领的团队采用频率控制技术实现了距离0.9m、60%的稳定传输效率，传输功率大约几十W[92]。

重庆大学孙跃教授的团队研发的磁谐振无线电能传输样机，谐振频率为7.7MHz、传输距离为0.8m、传输功率为60W、传输效率为52%[93]。清华大学的赵争鸣教授系统地梳理了磁谐振无线输电技术存在的问题并指出了未来的一些发展方向[94]，目前磁谐振无线电能传输技术在国内呈现出较好的发展势头。

图6电场耦合无线电能传输装置

3.3 微波无线电能传输技术

微波无线电能传输技术始于20世纪30年代初，Brown在西屋实验室利用一对100MHz的偶极子，在相距25ft（约7.62m）的地方传输了大约几百W的功率[95]。20世纪50年代末，Goubau和Schwering进行微波无线电能传输的尝试，首先从理论上推算自由空间波束导波可达到接近100%的传输效率，并在反射波束导波系统上得到验证[96]。

20世纪六七十年代国际上掀起了微波无线电能传输技术研究的高潮。1964年，雷声公司的Brown成功地进行了高空直升机平台的微波供电实验。1968年，美国Glaser提出了太阳能发电卫星的概念，利用微波将能量无线地传回到地面接收装置，并将其转换成电能[97]。

1975年，Brown进一步将微波能量束传播到1mile远的接收站上，获得30kW的直流功率[95]；同年，加州理工学院喷气与推进实验室进行了一项被称为“Goldstone”的实验，在野外使用工作频率为2.388GHz的微波，实现了1.54km的无线电能传输[98]，但整体效率只有6.7%（发射端到接收整流端）。

1980年，加拿大通信研究中心研制了第一个由微波供电高空永久平台，该平台高度为21km[99]。1983年，日本采用探测火箭在太空进行了首次微波电能传输实验，并取得成功，该实验名为“MicrowaveIonosphere Nonlinear Interaction eXperiment（MINIX）”[100,101]。1992年，另一项名为“MIcrowaveLifted Airplane eXperiment（MILAX）”的实验也在日本完成，这个实验第一次采用电子扫描相控阵，以2.411GHz的微波束对准移动目标供电[102]。

2001年，法国国家科学研究中心的Pignolet利用微波无线电能传输点亮了40m外的一个200W灯泡，2003年他又在留尼汪岛上建造了10kW实验型微波输电装置，以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电实验[103]。

2008年，Mankins和德州农工大学、日本神户大学的学者进行了微波能量从毛伊岛传输到夏威夷岛的实验，传输距离超过148km[104]，创造了微波电能传输距离的最高记录，但没有突破微波无线电能传输的效率低于10%的限制[105]。

2015年3月，日本先后两次成功进行了微波无线电能传输实验，3月11日日本宇宙航空研究开发机构将1.8kW的电力精准地传输到55m距离外的一个接收装置，3月12日日本三菱重工将10kW的电力转换成微波后输送，其中的部分电能成功点亮了500m外接收装置上的LED灯，该公司计划在2030～2040年运用该技术，将太空的发电装置所获得的电能通过微波向地面传输。

国内对微波无线电能传输技术的研究始于20世纪90年代[106]，林为干院士首次在国内介绍了微波无线电能传输技术。1998年，上海大学开始对微波能量无线传输进行研究，并应用于管道探测微机器人的微波供电[107]。

2006年7月，中国航天科技集团公司组织进行了“空间太阳能电站发展必要性及概念研究”的研讨。2008年，国防科工局启动“我国空间太阳能电站概念和发展思路研究”项目的研究工作。2010年，由中国空间技术研究院王希季、闵桂荣等七位院士牵头开展了中国科学院学部咨询评议项目——空间太阳能电站技术发展预测和对策研究。

2010年，中国空间技术研究院组织召开首次“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”，多位院士和近百位专家参加。2013年，国际宇航大会在北京召开，中国专家应邀做了“21世纪人类的能源革命——空间太阳能发电”的空间发电分会主旨发言，葛昌纯院士作为特邀专家代表中国参加空间太阳能发电论坛。2014年5月，“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”香山科学会议召开，多个领域的专家研讨了发展空间太阳能电站的重大科学问题和发展建议[108]。

目前国内开展相关研究的团队包括中国航天科技集团公司、中国工程物理研究院、西安电子科技大学、重庆大学、四川大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学和中科院长春光机所等单位，在关键技术研究方面已经取得了一定的进展，主要包括：解决多个微波源的高效功率合成和高效微波整流技术，实现km距离上微波能量传输接收试验；完成40m2的展开式柔性太阳电池阵原理验证；建立地面太阳光泵浦激光实验系统，实现30W的激光输出，并开展了100m距离的能量传输试验等[108]。

4 感应与谐振无线电能传输技术的比较

4.1 原理不同

感应无线电能传输技术是基于变压器原理，依靠发射线圈与接收线圈的磁场耦合来传递能量，发射线圈与接收线圈间的磁场耦合程度决定了无线电能传输系统的性能。为了保证无线电能传输的功率和效率，必须使得耦合系数或互感系数较大，由此限制了它的传输距离，还要求发射线圈和接收线圈必须处于同轴，且两者之间不能有障碍物。

谐振无线电能传输技术虽然也是依靠磁场传递能量，但与感应无线电能传输技术原理不同，采用的是能量耦合原理。由于能量的大小不仅取决于磁场大小，还取决于磁场的变化率、频率以及其他电参数，能量耦合系数是谐振频率、互感系数、品质因数等的函数，因此谐振无线电能传输技术较感应无线电能传输技术复杂。当发射线圈与接收线圈工作于谐振状态时，可不受空间位置和障碍物的影响，实现中距离无线电能传输。

4.2 系统构成的异同

感应无线电能传输系统的核心结构是一个无铁心的分离式变压器（或称为松耦合变压器），发射线圈相当于变压器的一次侧，接收线圈相当于变压器的二次侧，感应无线电能传输核心结构如图7所示。发射线圈由高频交流电源供电，产生磁场耦合到接收线圈，从而将电能传输到接收线圈的负载上，实现电能的无线传输。为提高电能传输能力，一般发射线圈和接收线圈都附加无功补偿网络来进行无功补偿。

图7感应无线电能传输核心结构

谐振无线电能传输系统有两线圈和四线圈结构。较低谐振频率时采用两线圈结构，如图8a所示。发射线圈与电容串联构成发射端，由高频交流电源供电；接收线圈与电容串联构成接收端，与负载相连。工作时，发射线圈电感、接收线圈电感与各自串联的电容发生同频串联谐振，电磁能量在发射线圈与接收线圈之间交换，一部分供给负载，实现了电能的无线传输。较高谐振频率（MHz）时采用四线圈结构，如图8b所示。

发射端由一个阻抗匹配线圈和一个开口发射线圈组成，高频交流电源连接到阻抗匹配线圈，阻抗匹配线圈产生的磁场在开口发射线圈中感应电动势，在高频感应电动势的作用下开口线圈电感与其寄生电容发生串联谐振；接收端由一个开口接收线圈和一个负载阻抗匹配线圈组成，开口发射线圈产生的磁场耦合到开口接收线圈并产生感应电动势，在此感应电动势的作用下开口接收线圈电感与其寄生电容发生串联谐振，电磁能量在开口发射线圈和开口接收线圈之间交换，一部分通过负载阻抗匹配线圈供给负载，实现了电能的无线传输。

图8谐振无线电能传输系统

4.3 分析方法的异同

感应无线电能传输系统的发射线圈和接收线圈一般采用变压器模型来分析，参数关系与变压器相同，较为简单。LC补偿网络为无功补偿电路，根据补偿网络在系统中的连接方式有四种分析模型：发射和接收线圈均串联（SS）型补偿模型；发射和接收线圈均并联（PP）型补偿模型；发射和接收线圈串-并联（SP）型补偿模型；发射和接收线圈并-串联（PS）型补偿模型。综合建立LC补偿网络和发射线圈及接收线圈模型，就可以分析和设计感应无线电能传输系统。

谐振无线电能传输系统一般采用耦合模理论分析，建立发射线圈与接收线圈间的能量耦合模型，其优点是物理概念清晰、计算简单，能够直观地反映发射线圈与接收线圈能量交换的过程，但是一种近似的建模方法，且对于较复杂的谐振无线电能传输系统如多负载、多电源系统，参数确定有一定难度。

因而，在较低谐振频率运行时，通常也会采用变压器模型来分析谐振无线电能传输系统的特性，并对系统进行参数设计[87,109,110]。此外，考虑分布参数的影响，采用传输线理论的谐振无线电能传输系统建模分析方法也被提出。

4.4 运行条件的差异

1）电源频率。感应无线电能传输系统的发射线圈和接收线圈的固有频率与电源频率无关，只是为了减小系统的无功功率，补偿网络电容的选取才考虑电源频率；而谐振无线电能传输技术的发射线圈和接收线圈的固有谐振频率与电源频率密切相关，必须完全相同。

2）传输距离。感应无线电能传输与谐振无线电能传输都是在电磁场的近场范围，如图9所示。但感应无线电能传输的距离与近场范围大小无关，其只能工作在cm级的近距离范围；而谐振无线电能传输则能工作在整个近场范围，近场距离为c/(2f)（c为光速，f为谐振频率），谐振频率高、近场范围小、传输距离近，谐振频率低、近场范围大、传输距离远，例如麻省理工学院设计的谐振无线电能传输装置，谐振频率为10MHz，近场范围为4.778m，即该谐振无线电能传输装置最大传输的距离在4.778m以内。因此，谐振无线电能传输的距离远远大于感应无线电能传输的距离，且可以根据实际需要设计电能传输范围。

3）负载能力。感应无线电能传输系统一般只能一对一的供电，即一个发射线圈对应一个接收线圈，而谐振无线电能传输系统利用近场为储能场的性质，通过发射线圈与接收线圈的同频谐振，一个发射线圈可以给多个接收线圈供电，且不受一般非谐振外物的影响[111]，适用面更广。

图9近场范围波阻与距发射源的距离关系图

综上所述可见，感应和谐振无线电能传输是两种不同的电能传输方式，由于以往对电磁耦合即为能量耦合认识上的局限性[112]，导致认为它们的原理完全相同，造成科学研究者和工程技术人员对两者概念的混淆，在一定程度上阻碍了谐振无线电能传输技术的发展。

5 无线电能传输技术的应用前景

1）可移动机电设备的无线供电。可移动机电设备如电力机车、城市电车、工矿用车等，其传统的供电方式一般为滑动摩擦式与电源连接，存在滑动磨损、接触火花、炭积和不安全裸露导体等弊端。应用无线电能传输技术，可以使其安全地工作在各种危险、恶劣环境下，并提高运行性能。

2）电动汽车无线充电。电动汽车电池的充电方式是阻碍其快速发展的重要原因之一，采用现有的有线方式充电，充电桩占地面积大，且用户使用不方便。采用无线电能传输方式可以便捷地将无线充电装置的发射线圈埋入停车场地下，接收线圈安装在电动汽车上，用户停车即可起动充电，充电过程简单、安全、灵活、高效，无需占地建设专门的充电站，且能够有效地抑制可再生能源的输出及波动，与电网能够产生更强的互动，通过智能互动系统的连接可以自动控制电动汽车合理地进行充放电，有效提高可再生能源的消纳能力，具有实际应用意义。

此外，还可以对电动汽车进行动态无线充电，即铺设一段充电道路，沿线安装一系列发射线圈，装有接收线圈的电动汽车运行到该路段就可动态充电，从而降低对电池容量的需求，大大减少电动汽车充电电池容量，降低整车重量和成本，并节省充电时间。

3）机器人无线供电。现有的机器人系统中，大部分运动机械的驱动器都设置在控制柜中或尽可能靠近控制中心，驱动器的输出通过电缆从控制中心连接到各个运动机械的控制电机上。为了防止碰断电缆，机器人手臂的运动必然受到限制，且由于机器人重复运动，电缆连接点易受到损坏，可靠性、安全性降低。无线电能传输技术则能使驱动器的输出通过无线方式传递到控制电机，从而避免电缆的存在导致机器的运动受限以及由于电缆磨损所带来的操作失误等缺点。

4）水下设备无线供电。在水下作业中，许多水下设备需要提供电能。若直接由电缆供电，则存在不易安装、电缆金属接头易受海水腐蚀、设备工作区域受限、不灵活、供电效率低等困难和缺点，而采用无线电能传输技术对水下设备如深海潜水装置和海底钻井等供电，则可较好地克服这些问题。

5）植入式医疗设备无线供电。医学上越来越多采用电子设备来弥补人体器官的缺陷，典型的设备如心脏起搏器、全人工心脏、人工耳蜗等。然而这些电子设备的共同缺点，就是需要电池供电，当需要更换电池时，病人将承受手术的痛苦和危险。即使采用充电电池供电，也需要穿透皮肤（导线穿过皮肤）用体外电源对电池进行充电，病人同样承受较大的痛苦。

而无线电能传输技术既可以避免导线与人体皮肤直接接触，防止由于感染而出现并发症，又可以避免植入式电池的电能耗尽之后需要进行手术来更换的问题，消除了由于手术造成的二次伤害，实现对植入人体的电子设备进行无痛苦、安全可靠的充电。

6）无线充电器。手提式计算机、手机、掌上电脑、MP3播放器、数码相机、无线鼠标、蓝牙耳机等各种便携式电子产品成为人们生活的必需品，但它们最大的缺点是需要使用不同的接口和充电器。而采用无线电能传输技术的无线充电器，可以将发射线圈置入一个外形犹如电磁炉的台面中，充电时只需将电子产品放在该台面上便能进行充电，从而适用于各种电子产品的充电。随着无线电能传输技术的发展，未来各种便携式电子产品，有可能实现随时随地的充电，像无线网络WiFi一样。

7）家用电器的无线供电。随着智能化技术的日益发展和进步，智能家居越来越受到人们的广泛关注，而对于智能家居中的家用电器来说，采用无线电能传输技术具有明显的优势，该技术可以改变白色家电、黑色家电如洗衣机、部分厨房电器、空调、电冰箱、彩电、音响等的供电方式，使得家电的安置更加灵活，使用更加方便，彻底摆脱传统的充电线缆对电器互联的限制和束缚，体现出更大的便捷化和人性化。

6 结论

无线电能传输技术消除了传统导线供电方式的固有缺陷，不存在导线裸露、磨损和接触电火花等安全问题，极大地提高了供电的安全、可靠和灵活性。在移动设备、电动汽车、机器人、水下设备、植入式医疗设备、充电器和家用电器等方面具有非常广阔的应用前景。

虽然无线电能传输作为一门新兴的技术，其研究和应用还处于发展时期，不够成熟，但是通过国内外专家学者们的不断努力和突破，该技术必将走向工程化和产业化，从而提高人类的生活质量，节约能源，提高电能的有效利用率。