無線電能傳輸技術(shù)綜述

作者介紹

陳武，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow，東南大學(xué)先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備研究所所長。長期從事大功率電力電子變換及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金3項、國家重點研發(fā)計劃課題1項。研究成果發(fā)表SCI/EI論文100余篇，出版專著5部。本文新出版的電力電子綜述和科普專著《循跡電力電子》一書內(nèi)容。

無線電能傳輸技術(shù)綜述

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）又稱為無線電力傳輸、非接觸電能傳輸，是指通過發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量，隔空傳輸一段距離后，再通過接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能。相比有線的電能傳輸，WPT其具有更好的便捷性、靈活性、環(huán)境適應(yīng)性以及顯著降低的觸電危險，被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一，已經(jīng)成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點研究方向之一。根據(jù)原理的不同，WPT技術(shù)主要分為磁耦合式、電場耦合式、電磁輻射式、超聲波式、激光傳能等五種不同方式。其中，磁耦合無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展最為成熟，并在消費電子、植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域獲得了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。這里主要簡要回顧磁耦合無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程。

磁耦合無線電能傳輸技術(shù)可細(xì)分為感應(yīng)式無線電能傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）和磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transmission, MCR-WPT）兩類。

1891年，著名發(fā)明家、電機工程師、機械工程師特斯拉在其專利“System of electric lighting，US0454622”中提出了無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想，其實驗裝置的如圖1所示，由交流電壓源G、變壓器P-S、電容器C、電火花間隙開關(guān)a、變壓器P’-S’組成。G的頻率為5kHz，與第一個變壓器的原邊線圈P相連，經(jīng)過變壓器升壓后在副邊線圈S上產(chǎn)生高壓，電容C與S并聯(lián)，因此電容C上也產(chǎn)生高電壓，高電壓擊穿a點處的空氣隙，此時電容與第二級變壓器的原邊線圈P’形成回路，產(chǎn)生高頻振蕩，并且在副邊S’上感應(yīng)出高頻交流高壓，該電壓與燈泡以及對地電容后形成放電回路，用以點亮燈泡。

圖1.特斯拉于1891年提出的無線電能傳輸系統(tǒng)原理圖

1901年，特斯拉在在美國長島建成了著名的特斯拉塔，也叫沃登克里弗塔（ Wardenclyffe Tower ），如圖2 (a)所示，試圖實現(xiàn)數(shù)十英里的遠(yuǎn)距離無線電能傳輸，并提出了一個大膽的構(gòu)想：把地球作為導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起低頻共振（特斯拉在實驗中發(fā)現(xiàn)地球的共振頻率接近8Hz，1952年德國科學(xué)家舒曼在研究地球及其電離層的系統(tǒng)時也發(fā)現(xiàn)這個共振頻率，后來稱之為舒曼共振），利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠(yuǎn)距離傳輸電力，實現(xiàn)全球無線電能傳輸，如圖2 (b)所示。雖然這些實驗和構(gòu)想由于資金等原因最終沒有實現(xiàn)，但是后世科學(xué)家已經(jīng)證實了該思路的可行性。

(a) 沃登克里弗塔

圖2.特斯拉建造的沃登克里弗塔及其全球無線電能傳輸設(shè)想

1894年，M. Hutin和M. Leblanc也獲授權(quán)一項軌道交通無線充電系統(tǒng)的美國專利“Transformer system for electric railway，US0527857”，提出了牽引電車感應(yīng)供電技術(shù)，是現(xiàn)代電動交通工具動態(tài)無線充電技術(shù)的雛形，其原理如圖3所示。圖中，發(fā)射端導(dǎo)線E由單根銅電纜構(gòu)成，放置于管道中，并埋在路面上的瀝青中，接收線圈G的繞組纏繞在鐵心上，安裝在電車底部，與電容串聯(lián)后連接至牽引電機上，接收端首次采用了串聯(lián)電容的補償方式。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

圖3.Hutin和Leblanc提出的軌道交通無線充電系統(tǒng)原理圖

在1960年，B. K. Kusserow將感應(yīng)供電方式應(yīng)用于植入式血泵中，開啟了無線電能傳輸技術(shù)在植入式醫(yī)療設(shè)備供電中的應(yīng)用研究。隨后不久，J. C. Schuder等在哥倫比亞密蘇里大學(xué)進(jìn)行了名為“經(jīng)皮層能量傳輸”的研究項目。

1980年代末開始，奧克蘭大學(xué)J. T. Boys教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊對IPT技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，在基本原理、系統(tǒng)頻率分析和穩(wěn)定策略、功率控制策略、不同補償電路系統(tǒng)特性分析、能量與信號同步傳輸、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都進(jìn)行了深入的研究，對IPT技術(shù)進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。

J. T. Boys教授于1991年申請美國專利“Inductive power distribution system，US5293308”，首次系統(tǒng)地提出了感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計方法，如圖4所示。三相交流電經(jīng)過整流后得到直流電壓，經(jīng)過Buck變換器后，通過自激推挽式逆變電路驅(qū)動發(fā)射導(dǎo)軌與原邊線圈電容進(jìn)行諧振并輸出高頻正弦波電壓，該電壓驅(qū)動發(fā)射導(dǎo)軌。接收端安裝在車端，采用并聯(lián)補償方式，并采用E形磁芯進(jìn)行聚磁，接收線圈輸出經(jīng)整流和開關(guān)模式控制給負(fù)載供電。不過受限于效率和成本等因素，J. T. Boys教授研究的感應(yīng)耦合式無線電能傳輸技術(shù)的有效距離一般在數(shù)十厘米以內(nèi)。

(a) 導(dǎo)軌側(cè)發(fā)射端

(b) 車載接收端

圖4.Boys教授提出的一種感應(yīng)式無線電能傳輸方案

2007年，美國麻省理工學(xué)院 Marin Soljacic教授團(tuán)隊在中距離無線電能傳輸領(lǐng)域取得突破，該團(tuán)隊設(shè)計的實驗裝置如圖5 所示，由兩個銅導(dǎo)線構(gòu)成的線圈組成，線圈直徑60cm，線徑6mm，兩個線圈具有相同的自諧振頻率。發(fā)射線圈連接在高頻交流電源，接收線圈連接到一個60W的燈泡，距離2m可“隔空”點亮燈泡，電能轉(zhuǎn)換效率為40%，而距離為1m時效率高達(dá)90％左右。Marin Soljacic將該技術(shù)命名為“Witricity”(Wireless elecTricity)無線供電技術(shù)，也叫磁耦合諧振技術(shù)，即MCR-WPT，并用耦合模理論建立模態(tài)方程得到了系統(tǒng)的能量傳輸特性，成果發(fā)表以“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”在2007年《Science》雜志上發(fā)表。該項研究發(fā)表后，在國際上掀起了無線電能傳輸技術(shù)研究的熱潮，各國學(xué)者紛紛加入了磁耦合無線電能傳輸技術(shù)研究隊伍中，加快了無線電能傳輸時代的到來。

圖5.Marin Soljacic教授團(tuán)隊的MCR-WPT無線電能傳輸實驗裝置

需要指出的是，在MIT提出MCR-WPT技術(shù)后，很多研究人員起初認(rèn)為IPT和MCR-WPT的能量傳輸機理不同。2009年，華南理工大學(xué)張波教授在中國電機工程學(xué)報撰文指出，MCR-WPT技術(shù)是IPT技術(shù)在驅(qū)動頻率等于磁耦合機構(gòu)的固有諧振頻率時的一種特例，此時其線圈回路阻抗達(dá)到最小值，因而有利于能量的高效傳輸。東南大學(xué)的黃學(xué)良教授分析對比了共振式WPT系統(tǒng)的兩種分析方法，即基于耦合模理論和基于電磁感應(yīng)原理的電路互感模型，確認(rèn)了兩者的等效性。由此，學(xué)術(shù)界逐步形成了MCR-WPT與IPT在磁場耦合本質(zhì)上相同的觀點，不再刻意區(qū)分兩者的不同。

無論是感應(yīng)還是諧振式無線電能傳輸技術(shù)，其基本電路結(jié)構(gòu)均可用圖6表示，高頻逆變電路將直流電變?yōu)楦哳l交流電，經(jīng)過發(fā)射端補償后，通過磁耦合機構(gòu)傳輸至接收端，接收端經(jīng)過補償與整流后，供給直流負(fù)載。

圖6.磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例

自Qi協(xié)議推出后，無線充電技術(shù)在消費電子領(lǐng)域迎來了指數(shù)性增長。第一款搭載Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)的手機是Sharp SH-13C，于2011年8月上市。隨后，華為、蘋果、三星等公司陸續(xù)將滿足Qi協(xié)議的無線充電方案應(yīng)用于手機、智能手環(huán)、無線耳機、平板電腦等。

海爾集團(tuán)聯(lián)合重慶大學(xué)孫躍教授團(tuán)隊研發(fā)的“無尾電視”在2010年國際消費電子展上推出，首次將磁耦合諧振技術(shù)、信號無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)無線連接3種技術(shù)進(jìn)行融合，可在距離1m的范圍內(nèi)將100W功率無線傳輸至電視接收終端。目前，海爾集團(tuán)研發(fā)部已經(jīng)開始將無線電能技術(shù)應(yīng)用于各類家電產(chǎn)品中，進(jìn)行產(chǎn)品的成套化和系列化開發(fā)，形成海爾集團(tuán)的“無尾之家”整體解決方案。

在交通領(lǐng)域，1997年，德國Wampfler公司(現(xiàn)IPT Technology)與新西蘭奧克蘭大學(xué)合作，采用IPT技術(shù)研制了定軌觀光車，傳輸功率達(dá)到20kW。此后，Wampfler公司又逐步研發(fā)出應(yīng)用于觀光電梯、車間運輸車輛的IPTRail技術(shù)，并在同一時期試驗了長約400m的150kW載人軌道車，設(shè)計運行時速37.8km/h。

2007年，MIT馬林·索爾賈?？私淌谟趧?chuàng)立WiTricity公司，致力于跑車、轎車、SUV等不同類型電車的無線充電解決方案，已研制出3.7kW、7.7kW和11kW無線充電系統(tǒng)，充電距離在9~28cm，充電效率在92~94%，其中線圈效率達(dá)到98%，配有停車位置錯位補償功能，集成了異物與活體檢測(FOD、LOD)功能、支持WiFi無線通信，同時支持V2G功能，可與電網(wǎng)高效雙向互動。2018年，寶馬推出搭載WiTricity技術(shù)的530e iPerformance車型。目前，WiTricity已與十幾家汽車巨頭聯(lián)合開展研發(fā)項目，包括奧迪、特斯拉、三菱等。

從2009年起，韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)啟動了在線電動汽車(On-Line Electric Vehicles，OLEVs)項目，在高頻逆變器、低電磁輻射特性、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析、磁耦合機構(gòu)等方面取得了大量成果，至今已經(jīng)開發(fā)了五代OLEVs系統(tǒng)，在韓國首爾、大田、麗水、龜尾等地進(jìn)行了測試和商業(yè)化運行。

2010年11月，奧克蘭大學(xué)創(chuàng)辦的Halo IPT公司研發(fā)感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)，2012年10月被美國高通公司整體收購，在2015年4月22日的FormulaE電動方程式錦標(biāo)賽上，高通展示了自己研發(fā)的Halo無線汽車充電技術(shù)，2016年Halo IPT已經(jīng)具備了半動態(tài)充電的能力，可在最高30mph的速度下進(jìn)行無線電能傳輸。2019年2月，WiTricity公司收購了Halo關(guān)于無線充電技術(shù)相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，繼續(xù)推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

2018年，美國Momentum Dynamics公司推出了200kW動態(tài)無線充電器，該系統(tǒng)由4個并聯(lián)的充電線圈構(gòu)成，每個提供50kW，安裝在比亞迪K9S上，利用停車間隙進(jìn)行充電，每小時充電7-10分鐘，可使電池電量保持在75%左右。此外，Momentum Dynamics還為雪佛蘭等車企開發(fā)的3.3kW、7.2kW和10kW等不同功率等級的無線充電系統(tǒng)。

在國內(nèi)，西南交通大學(xué)團(tuán)隊在中國工程院錢清泉院士的指導(dǎo)下，從2010年開始在國內(nèi)率先提出并開展了軌道交通大功率動態(tài)無線供電技術(shù)的創(chuàng)新研究，致力于大功率無線供電技術(shù)在磁懸浮交通、港口AGV、特殊場景需求等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2013年10月，西南交通大學(xué)團(tuán)隊成功研制國內(nèi)首臺40kW動態(tài)無線供電軌道原理樣車。

2014年9月18日，由中興通訊股份有限公司、東風(fēng)汽車公司聯(lián)手打造的新能源汽車大功率無線充電公交商用示范線在湖北襄陽正式啟動并投入運營，是國內(nèi)首條無線充電商用示范線，該系統(tǒng)由南京航空航天大學(xué)陳乾宏教授負(fù)責(zé)研發(fā)，由兩個30kW無線充電設(shè)備串聯(lián)所構(gòu)成，新能源公交車在改造過的停車位?？亢缶涂梢赃M(jìn)行充電。

2016年，重慶大學(xué)與南方電網(wǎng)合作建設(shè)完成國內(nèi)第一條動態(tài)無線供電系統(tǒng)示范線路。線路長100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%~90%。

2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國家電網(wǎng)公司合作建設(shè)張家口張北縣電動客車180m動態(tài)無線充電實驗線。該系統(tǒng)采用2.4米分段式的發(fā)射導(dǎo)軌級聯(lián)方式，由4段發(fā)射導(dǎo)軌為一組，每組由一套電源進(jìn)行獨立充電。該試驗線路電能傳輸距離為20厘米，最大偏移距離40厘米，在實驗車輛運行速度為40km/h的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)20kW的功率，總效率高于85%。

2018年10月，由東南大學(xué)黃學(xué)良教授團(tuán)隊、重慶大學(xué)孫躍教授共同設(shè)計建設(shè)的世界首條“三合一”電子公路在“一帶一路”能源部長會議和國際能源變革論壇上精彩亮相，首創(chuàng)了電動汽車無線充電、道路光伏發(fā)電、無人駕駛三項技術(shù)的融合應(yīng)用，實現(xiàn)了電力流、交通流、信息流的智慧交融，被譽為“不停電的智慧公路”，充電功率11kW，最高效率90%，充分展示了中國在新能源領(lǐng)域的科技實力，如圖7所示。

圖7.東南大學(xué)、重慶大學(xué)聯(lián)合研制的11kW電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)

2021年，孫躍教授團(tuán)隊建成了60kW電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)示范工程，該工程是當(dāng)時國內(nèi)功率等級最高的電動汽車移動式無線充電工程。建設(shè)充電道路總長53米，最高效率達(dá)到86%，車輛內(nèi)部空間輻射小于5 μT，遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)27 μT。

2023年1月7日，西南交通大學(xué)何正友教授研究團(tuán)隊研制的新型無線供電制式城軌車輛在中車唐山廠成功下線，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了城軌車輛供電制式由“有線”到“無線”的突破。

在電動船舶領(lǐng)域，已經(jīng)商用化的無線充電系統(tǒng)較少。一方面，船舶對充電功率較大，達(dá)到MW級以上；另一方面，在充電操作期間，由于船舶的風(fēng)、波浪和吃水的聯(lián)合作用，以及響應(yīng)于裝載和卸載引起的傾斜和吃水的變化，岸邊的船舶會持續(xù)發(fā)生不規(guī)則的移動，給平穩(wěn)可靠的充電帶來挑戰(zhàn)。2017年8月，芬蘭的瓦錫蘭（W?rtsil?）公司與瑞士凱伏特（Cavotec）公司聯(lián)合開發(fā)了一套大功率船舶無線充電與系泊一體化系統(tǒng)，并在混合動力的渡輪“MF Folgefonn”號完成了測試。該系統(tǒng)的岸基無線發(fā)射端可在船舶靠岸時與船體無線接收端吸合，既起到無線充電的功能，也起到系泊的作用。系統(tǒng)母線電壓1000V，充電功率1MW以上，充電距離高達(dá)50厘米，充電效率97%。這是全球首艘采用高壓大功率無線充電的商用電氣渡輪，如圖8所示。

圖8.全球首款電動船舶高壓無線充電系統(tǒng)