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摘要：随着科技的不断进步，人类环保意识的增强，无线输电技术(WPT)逐渐引起了国内外的广泛关注。本文在讲述无线电能传输技术的背景和方法的基础上，对目前主要的电磁感应的短距离、磁共振的中距离、微波无线能量传输技术和飞秒激光长距离无线输电技术进行了原理上的综述分析奇石底座。
关键词：无线电能传输技术电磁感应耦合磁共振耦合微波无线能量传输飞秒激光无线能量传输综述 An Overview of Wireless Power Transmission Technology
Abstract: With the rapid development of technology,then enhancement of human environmental protection consciousness,the wireless power transmission (WPT) technology gradually attached high importance at home and abroad.Based on the description which refers to background and development of WPT technology,this paper summarizes the theory of inductively coupled power transmission in short distance,magnetic coupled resona
nt power transmission in middle distance,microwave power transmission technology and femtosecond laser energy transmission technology in long distance.
Keywords: wireless power transmission;inductively coupled;magnetic coupled resonant;microwave power transmission;femtosecond laser
1引言
随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，从遍布世界各地的输配电线路网架到为工作中和家庭中的各类电气设备提供电能，采用金属导线直接连接来进行电能传输的接触式传输方式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式已经发展得十分成熟，但仍有不少问题难以解决。传统电气设备的接触式供电因触点接触摩擦产生火花、绝缘与导体消损的问题，严重缩短电气设备的使用寿命，甚至对供电的安全性与可靠性产生威胁。不良电气接触连接会增加接触电阻，造成高温引起火灾，电气开关还会引起拉弧的危险[1]。
另外，传统的接触式电能传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，例如在矿井、油田
和水下探测等场合[2]。在传统的接触式供电方式下，触点由于摩擦易导致电火花，在矿井和油田钻采中会增加爆炸的可能性，引发严重的危害。水下探测机器人需要频繁更换电池或采用水下电缆连接来提供足够设备运行的能源，给水下探测设备的正常运行和维护带来了许多不便。给运动设备进行供电时，一般都采用滑动接触供电，但这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、积碳和不安全裸露导线等缺点[3-5]。海上的岛屿、边远山区和工作于山头的等交通不便、远离大电网、缺乏规范能源的地点，采用架设电线的传统配电方式成本过高，实现起来十分困难。
随着各种便携式电子设备广泛普及，但新的问题也随之出现。电源插头频繁地拔插，容易发生触点的磨损、变形和老化，导致安全性得不到保障。不同电子产品的充电器生产规格标准不统一，而每个充电器都需要独立的插孔和配套电线，这样既造成了资源的浪费，在生产制造和垃圾处理环节也会污染环境。便携式电子设备需要频繁地充电，而各式各样繁杂的充电器和缠绕在一起的电线给人们的生活带来极大的不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便[6]。这些有线传输方式现存的问题需要一种无需导线连接的电能供应模式解决，而电力电子技术和电磁场理论的发展，使得无线能量传输的实用化
成为可能。无线电能传输技术的引入将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广、方式更加多样化。无线传能技术利用了电磁感应耦合、磁共振耦合、飞秒激光和微波等形式来来进行能量的传输，是一种安全、可靠、便捷的新型能量传输方式。
2无线输电技术的定义及原理
2.1分类定义
目前，国内外学者对无线传能概念的阐述各有特点，但无线传能技术的定义和分类方式仍然缺乏权威或官方的定义。国际上对于无线电能传输研究的快速增长出现在2007 年前后，2014年以来相关的研究和报道逐年增多。文献中对无线电能传输分类定义的阐述很多[2-17]，经过归纳其中典型的传输方式可以分为以下几类。
1）基于电磁感应的短距离传输技术。
电磁感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）是一种以电磁感应耦合原理为基础的电能的无线传输模式。主要以磁场做为电能传输的媒介，基于
变压器疏松感应耦合的构造，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能的传输。这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达千瓦级别，在极近距离内效率很高，但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小，所以该技术一般用于厘米级的短距离传输。
2）基于磁共振耦合的中距离传输技术。
磁共振耦合无线电能传输技术（ResonantWireless Power Transmission，RWPT）主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。这种传输方式可以越过某些材料和金属障碍物，在线圈直径的几倍距离内，以兆赫兹频率的磁近场传输电能。传输效率较高，而且在传输区域内接受端的位置变化对效率不会产生显著影响。由于电力电子器件的制约，传输功率提高到千瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无法达到传输所需的共振频率，从而影响传输效率。
3）基于微波/飞秒激光的长距离传输技术。
微波电能传输技术（Microwave Power Transmission，MPT）是通过能量转换装置将电能
转化为微波形式，利用发射天线向目标位置定向发送微波，再经接收装置接收并整流来实现的电能传输方式。这种传输技术适合应用于距离较长、容量较大的电能传输场合，例如将空间太阳能电站的能量传回地面，向平流层飞艇和轨道卫星供电等。基于飞秒激光的无线能量传输技术（Femtosecond LaserPower Transmission）利用超强超快激光在大气中传输时的非线性效应，将空气分子电离，从而产生可长达十几公里的等离子体通道。将等离子体通道内存在的大量电子作为载流子，可以为电能的转移提供媒介，其作用相当于在空气中架设的一条虚拟导线。该项技术能够实现几十公里距离的高效无线能量传输，传输的功率和可靠性有待进一步的深入研究，适合于地面的大功率无线能量传输。
微波能量传输技术在对埋入式传感器和植入式医疗设备等进行电能的传输时，将对人体造成未知的影响，在功率较大的场合甚至直接造成损伤，因而微波能量传输技术不适合用于医疗器械充电方面的电能传输。由于微波或飞秒激光形式的能束有一定的功率密度，将对现有的微波系统造成一定影响，因此这种传输方式多用于环境影响较小的场合。
2.2基本原理
二联件2.2.1基于电磁感应的短距离传输技术
ICPT系统将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，当变压器松耦合时，在高频交流激励下，变压器的原、副边存在很强的电磁耦合从而使得大气隙下的能量传输变得可行，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接[7]。其原边和副边之间通过电磁感应实现电能传输，由于相比于紧密耦合的变压器，这种传输方式在原边与副边的铁芯之间存在较大的气隙，导致励磁电抗的降低引起传输效率的下降，通过电力电子技术提高输入电源的频率加以补偿。
ICPT 系统主要由以下三个部分组成：
1）变频模块，运用脉冲宽度调制技术控制将低频输入转换为高频，可以根据不同传输功率和距离的需要，调整输出频率和功率；
2）传输模块，通过铁芯分离的松耦合变压器，实现原、副边没有物理连接的电磁感应耦合无线能量传输；
3）整流模块，利用整流将接收到的的高频电能转换为直流形式供负载使用。
图2.1给出了短距离电磁感应耦合系统框图。其中，一次线圈和二次线圈之间有各自的补偿环节和调节控制电路，这样能使得传输效率达到最大化。两线圈侧整流滤波电路，高频逆变单元，一、二次侧相应的补偿电路，调节控制电路等部分共同构成了整个ICPT 系统。
图2.2为短距离电磁感应耦合电路原理图，其工作原理是：交流电源在经过整流滤波后可以得到直流电，再利用高频逆变单元得到高频交流电进一步进入一次侧线圈，因高频交流电而在一次侧线圈中产生的磁链交链于二次侧线圈，这样便得到了感应电动势，再次通过对其进行补偿、高频整流滤波等调节电路之后便能向负载供给相应大小的直流电能。
2.2.2基于磁共振耦合的中距离传输技术
射频传输技术虽然在信息传输方面具有极大的优势，但是如果使用射频形式来传输能量却很难实现：如果采用非定向辐射，由于接受端附近的功率密度很低，难以提供足够的能量；如果采用定向发射的微波，那么需要精确的控制系统跟随接收端移动。磁共振耦合现象的发现，为射频传输提供了一种便捷、安全的新型传输方式。
2006年，麻省理工学院的研究团队发现了磁共振耦合现象，并制造了一台样机成功可以为2m外的60W的灯泡进行供电。他们的实验结果显示电能的传输相距为2m时，其效率高达92%，采用这种技术可以在线圈直径的几倍范围内的中距离上进行高效的能量传输。
在振动系统（如声音，振动的物体）中，具有相同固有频率的振动体常常产生强耦合状态，
处于这种状态时，共振体之间的能量交换大于在能量传递过程中的损耗和振动体本身的能量耗散，达到很高的传输效率。磁共振耦合是一种近磁场的强耦合方式，在磁共振下的电能传输效率很高，并且不受传输通道上越过某些材料和金属障碍物的影响，在传输范围内实现高效的非定向传输，而对于非共振物体来说，中距离电能传输无法实现。
图2.3是中距离磁共振耦合系统框图。它主要包括工频交流电源、整流滤波模块、射频放大器、阻抗匹配及调节控制电路、发射和接收线圈、整流器和负载。通过射频放大器变得到具有使发射端、接收端线圈发生共振的频率的电流，这种情况下可以使得能量的传输效率最大化。
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图2.4是中距离磁共振耦合电路原理图。L1线圈用作激励，是发射线圈的补偿电容，是接收线圈的补偿电容，第二个闭合回路表示发射线圈等效电路，第三个闭合回路表示接收线圈等效电路。该图中共有六个互感，其中之间的耦合十分微弱可以忽略。
结合耦合模理论的微分方程组，强耦合磁共振系统可以进行相关分析计算。发射装置与接收装置发生共振时，这种状态下功率最优，该状态下对于效率η有
（2.1）
式（2.1）中，代表源装置的衰减程度（辐射以及吸收电能的损耗），代表被驱动装置的衰减程度；净化水机是无负载装置时的附加项；k代表发射装置、接收装置两者的耦合系数。由式可见，当wlan下线时，η具有最大值，且高效率能量转移的关键是： [7]。这就涉入到了强耦合状态，磁共振模式在这种供能系统中扮演着主要的角。
