在生活中，很多人都不知道无线电能传输（无线电能传输技术应用研究现状与关键问题） 是什么意思，其实他的意思是非常简单的，下面就是小编搜索到的无线电能传输（无线电能传输技术应用研究现状与关键问题） 相关的一些知识，我们一起来学习下吧！

无线电力传输(无线电力传输技术应用研究的现状和关键问题)

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而深入的研究。随着难题的突破，无线电能传输作为一种新型的电能传输方式，辐射越来越多的领域。

(资料图片仅供参考)

该部与天津工业大学天津电气工程与能源先进技术重点实验室共建的电气设备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)的研究人员薛明、杨清心、张鹏程、郭建武、李扬、张喜安在2021年第8期《电气技术学报》上写道。首先，简要介绍了无线电能传输技术的分类和组成。其次，围绕该技术在国内外近10年来在家用电子设备、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8个领域的应用，重点阐述了该技术目前在不同领域的应用水平和存在的困难。再次，从文献和专利两个方面对比分析了国内外该技术的研究成果。最后，总结了无线电能传输技术在各领域实际应用中的关键共性问题，分析了无线电能传输技术产业化的发展现状。

自从人类学会用电，就已经离不开电了。现在人们生活的电气化程度越来越高，电能的应用越来越多。传统的电力传输一般采用金属电线电缆等传输介质，在电力传输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电源设计带来困扰。

无线电力传输作为一种新型的电力传输方式，有效避免了有线供电“不合适、难”使用场景下的诸多弊端，提高了供电方式的自由度，拓展了人们对电力传输方式的想象空间。

经过多年的发展，无线电能传输技术已经在家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通运输和航空空航天等八个领域得到快速应用，并正在向更广泛的领域渗透。一些技术研究成果已成功商业化和产业化。

无线电力传输技术简介

WPTT(wireless power tran *** ission)是19世纪中后期由著名电气工程师尼古拉·特斯拉首先提出的。它是借助于看不见的软介质(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。)之间空。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获取的革命性进步。

1无线电力传输技术分类

随着无线电力传输技术理论研究的深入和发展，研究人员面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发送器与接收器之间的位置变化空对无线电能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

磁耦合无线电能传输系统介绍

目前，在无线电能传输方式中，磁耦合无线电能方式是理论研究较多、应用进程较快的主要方式。目前，已有文献从能量传输原理分类的角度详细介绍了磁耦合无线能量传输系统的组成。本文从能量发射器和接收器耦合空之间的相对位置是否变化的角度进行阐述。

01静态无线充电系统

静态充电系统是基于电磁场原理，以高频电源、电磁耦合器、能量转换模块和静态负载作为电能循环的主电路，集检测、通信、控制和保护电路于一体。接收端和发送端依靠高频电磁场给静负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居、医疗器械等低功率需求场景，以及电动汽车、工业机器人等大功率能量传输场景。图2显示了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、能量转换模块和移动负载为电能循环的主电路，集检测、传感、通信、控制和保护电路于一体。发射机和接收机依靠高频动态电磁场实现对移动负载的实时供电。

与静态无线电能传输系统相比，动态供电系统的原理采用电感耦合和电磁谐振的协同工作方式。更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。而且动力供电系统在系统复杂度、技术成熟度、建设经济性等方面都需要进一步完善。

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的结构图。这种供电方式可以保证移动受电器实时获取电能，有效避免电池续航能力弱、充电时间长的缺点，同时也大大降低了受电器的质量。

图3电动汽车动态无线电源示意图

03准动态无线电力传输系统

准动态无线输电系统类似于静态无线充电系统，技术成熟度介于静态系统和动态系统之间。主要用于移动受电体(电车或电动车等)时给车载储能装置充电。)缓慢移动或短暂停车(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，降低了基础设施的成本，并且可以使发射器和接收器之间的磁场耦合较高，从而实现高效的能量传输。

无线电力传输的技术应用水平和关键问题

随着无线电能传输技术在多个领域的快速应用，阐述了该技术在家用电子设备、智能家居、医疗器械、交通运输、工业机器人、物联网、水下探测设备、航空航天等八个领域的应用水平，总结了各个领域有待突破的难题。表1显示了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

无线电能传输技术最早应用于电动牙刷、智能手表、MP3、手机等电子设备领域，其充电方式为静电感应无线充电。由于电子器件体积小，线圈结构、屏蔽方式、功率转换用集成芯片的优化设计是主要研究方向。

目前，电子设备的低功耗无线充电技术已经成熟，充电标准主要采用无线电力联盟(PMA)标准和Qi标准。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。

量产线圈结构有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15mm的标准异物和任何金属部件。其中16个线圈支持自由位置，15W快充，多台设备同时充电。

此外，接收方采用的无线充电芯片可以兼容各种无线充电标准，并能自动识别发送方的充电协议。2019年，全球航空空航天、国防等行业先进技术的主要供应商Astronics公司宣布推出一款充电器，可用于商用飞机对乘客的智能手机和其他设备进行无线充电。这款15W充电器已经被空客户和波音公司采用。国航空客机搭载的无线充电模块如图4所示。

图4客机空上的无线充电模块

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有劣势。磁共振充电在水平区域和垂直距离的空之间自由度较高，但传输效率低，成本高。

在智能家居领域，无线电力传输技术对产品的智能化起着重要的作用。改变了传统的插拔电线使用电能的方式，改善了空之间的环境和用户体验。主要是利用静电感应耦合来实现无线充电。

针对感应式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，在理论上取得了许多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变革的领导者，近年来不断推出众多产业化产品。比如2010年全球首款“无尾”电视，2012年“无尾”厨电，2016年推出的威Xi无尾智能马桶盖，可以通过手机app无线充电。

无线电力传输在智能家居领域有着巨大的前景。2019年3月，Wireless Power Consortium表示正在准备其新的厨房电器无线电源标准Ki。此外，研究人员正在研究通过微波无线供电为家里的无线鼠标、手机、电脑、台灯、加湿器等电器无线供电的技术。

综上所述，目前，静电感应供电系统是无线电能传输电子设备领域的主要技术，已经获得了很多工业产品，部分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研发。

在智能家居领域，静电感应无线充电系统也占据主导地位，技术相对成熟，具备商业化的能力。但由于家用电器负载功率水平跨度大、取电终端位置和负载功率需求随机性大、效率要求高等问题，需要在研究中进一步优化工作频率、初级谐振电流、负载输出电压、效率优化等。

2医疗电子设备领域

将无线电能传输技术应用于植入式医疗器械、胶囊内窥镜等医用传感器以及其他医用电子设备领域，可以有效解决患者使用手术替代电池存储能量的问题。

2003年，日本RF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、韩国和欧洲相继推出了相应的实物产品。2005年，日本的Masaya Watada和韩国的Y. Um提出了人工心脏无线电力传输的设想。

2008年，美国匹兹堡大学将无线电力传输技术应用于体内植入装置，并在空气体、人头模型和生猪中进行了实验研究。2013年，香港城市大学提出了一种具有高偏差容限的新型接收器结构，以解决在视网膜假体应用中，线圈错位导致的弱磁链会严重影响功率效率的问题。

2017年，麻省理工学院的科学家提出了一种基于开发的人工耳蜗的中场耦合新技术，该技术使用外部电源进行无线充电。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，位于猪体外的发射器被成功用于向位于猪食道、胃和结肠的三个接收器传输电力。发射功率水平分别为37.5ωW、123ωW和173ωW。

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。在印度浦那，NBN·辛加德提出了一种基于磁共振耦合的可穿戴式起搏器无线供电系统。清华大学提出了一种具有功率自动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电感应耦合，要求发射端和接收端距离较近。适合给皮下的植入物充电，不适合消化道深处的小型电子产品。

2014年，斯坦福大学研究所在《美国国家科学院学报》上发表了一项植入人体的医疗设备无线充电新技术。这项技术可以给只有米粒大小的医疗电子设备充电，可以更“深入”地植入人体，从而长时间获得电能传输。即使不需要电池储能，也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只有米粒大小的医疗电子设备。

2018年，剑桥咨询公司公司提出了MagLense无线充电系统的概念，用于人体内植入式设备的充电。该系统具有形状独特的柔性线圈，可以弯曲变形，适用于人体任何部位的植入式装置。

综上所述，目前无线电能传输技术在医疗电子设备领域，通过静电感应对皮下的植入物进行无线充电已经比较成熟，而通过消化道深处的静电共振对电子产品进行无线充电还处于研究的初级阶段。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，无线电能传输技术作为电能传输的一种新方式，已成为国内外科研机构和各大汽车公司的研究热点。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、传输距离等方面可以互补。

01电动车

将无线电能传输技术应用于电动汽车储能，在灵活性和安全性方面具有明显优势，在一定程度上促进了电动汽车的发展。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，但无线储能电动汽车在走向成熟和产业化时仍面临巨大挑战。

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 *** 拓扑、耦合线圈和电磁屏蔽三个部分。

补偿 *** 拓扑由串联或并联的电感和电容元件组成，用于调整电磁耦合系统收发机的参数，使其与线圈电感谐振，从而降低无功功率，提高传输效率，改变传输特性。

串-串、串-并、并-并和并-串是目前文献中已经研究过的四种拓扑。其中，串并/串联谐振补偿拓扑具有接收机在全负载范围内的输出恒压特性。一次侧失谐的SS补偿拓扑具有很强的抗失调能力，不存在轻载安全问题。

此外，还从基本补偿 *** 中导出了一些性能较好的补偿 *** 。LC谐振补偿 *** 结构可以通过调节 *** 参数自动在恒流充电模式和恒压充电模式之间切换，传输效率可以达到92%。

基于LCL拓扑 *** ，推导出LCC拓扑。实践证明，双边LCC拓扑 *** 可以解决双边LCL拓扑 *** 传输功率低和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、零电压开关，更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，基于能量效率更优的耦合线圈的材料、形状、尺寸、匝数等参数的优化是现有文献中的主要研究方向。

有学者选择利兹线缠绕方形耦合线圈，采用Z型串联结构。当更佳工作频率为55kHz时，传输距离在8 ~ 15 cm以内，系统更高传输效率可达85%以上。

有学者用螺线管缠绕耦合线圈，增加耦合线圈的匝数。在功率为7kW、传输距离为16cm时，系统效率可达93.8%。此外，也有学者研究了DD型能量发射线圈、BBP和DDQ型能量接收线圈。

与静态充电相比，动态供电系统更为复杂，主要体现在发射线圈和工作线圈结构之间的切换。集中式供电导轨和分段式供电导轨结构是目前发射机的主要供电结构。前者根据磁芯形状可绕成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有效解决受电过程中接收器耦合系数为零的情况；I型和S型结构为双极芯，能量耦合路径沿集流体运动方向，提高了横向偏移容差和传输效率，在施工难度和经济成本上具有优势。

一般采用多线圈单元并联，为分段导轨切换供电方式，可以显著降低系统损耗，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，有学者提出了基于磁场强度检测的接收端定位策略的分段导轨结构(测量周期为6ms，分辨率为5mGs)。与单初级绕组系统相比，功率提高25%，效率提高7%。

对于分段供电导轨的切换，学者们从不同方面进行了研究。有学者针对分段式动态无线充电系统的初级线圈链的电源管理，提出了基于次级侧主动励磁的分散控制逻辑的继电器方法。在实验中，当初级DC电源为50W左右时，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，针对轨快速切换时可能出现的过流、过压等问题，实现供电轨的软切换。

电磁耦合系统中的电磁屏蔽主要是绑定耦合线圈之间的电磁能量交换路径，从而更大限度地减少漏磁，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，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。他们设计的铁氧体屏蔽结构的传输系统，在传输距离为0.40m，轴向偏移为0.3m，功率从200W提高到2 500W时，稳定效率在80%左右。一些学者提出了由铁磁和非铁磁材料制成的屏蔽结构。当实验传输系统在56kHz，传输距离为6cm时，系统的传输效率稳定在72%，而只有铝板的系统的传输效率仅为2%。

从屏蔽结构来看，有学者设计了拼接式电磁屏蔽结构，相比整体平面结构，具有更好的屏蔽能力，易于制造和安装。这种结构的传输系统效率为90.94%，功率可达1297.69W。一些学者提出了在能量发射装置的水平侧具有屏蔽带的屏蔽结构。这种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很大。

从屏蔽方式来看，有学者提出了去耦单线圈产生磁场抵消的主动屏蔽方式。当传输距离为15cm时，系统效率高于85%。也有学者采用有源屏蔽，但创新性地提出了采用双线圈、四个电容作为移相器的新型谐振式电抗屏蔽。采用双线圈屏蔽时，与无屏蔽情况相比，在离地0.15米处，总磁场下降80%。

此外，与单线圈屏蔽相比，双线圈屏蔽在距地面0.15米处的总磁场降低高达70.4%。在此基础上，有学者提出了结合磁性材料的磁通路径和抵消磁场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800W，无线线圈间距为30mm，无线电能传输效率为83%。

2)控制策略

研究系统鲁棒控制策略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初级控制、次级控制和双边控制。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。

学者们研究了二级控制策略。前者提出了基于次级DC-DC变换器的更大效率控制，提高了传输效率。后者基于次级可控整流和滞环比较器实现输出功率或更大效率的控制。双边控制可分为双边沟通控制和双边非沟通控制。

有学者提出了一种基于工作调频和双向无线通信的闭环控制方法，将原副边结合起来实现电池的无线充电。有学者提出了功率和更大效率双参数同步控制方法，无需双边通信。DC-DC转换器调整副边的等效交流阻抗，并搜索副边的最小输入功率，以实现更大效率控制和恒定输出功率控制。

对于动态无线电能传输的鲁棒控制策略，采用PI控制算法，控制参数一般采用极点配置法选取，简单易实现。然而，目前文献中的建模与控制研究通常忽略了电动汽车动态无线供电应用复杂环境中的各种不确定扰动因素，因此研究面向实际应用条件的系统动态响应特性和多参数扰动下的快速鲁棒控制器显得极为重要。

3)技术应用

电动汽车的静态无线充电技术已经比较成熟，宝马、奥迪、丰田、吉利等各大汽车厂商已经开始将其加载到电动汽车上，如表2所示。此外，2019年11月，吕赤汽车宣布将于2020年推出搭载智能无线充电模块的纯电动SUV(内部代号:吕赤M500)。

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