第３３卷第３期 ２０１７年６月 电子机械工程 Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ・专家论坛・ 无线电能传输技术的应用与研究现状 杨平．张宏升 （电子科技大学机械电子工程学院， 四川成都６１ １７３１） 摘要：作为主要的无线电能传输技术，电磁感应式和磁耦合谐振式无线供电已在小型化供电、智慧家居、 医疗和电动汽车等领域得到日趋广泛的应用。文中从应用领域角度阐述了无线电能传输技术的研究现 状，同时也介绍了ＳＭＣ电子科技大学技术中心的部分研究成果，指出了现阶段有关研究重点和问题。 关键词：无线电能传输；电磁感应；磁耦合谐振；小型化供电 中图分类号：ＴＭ７１４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５３００（２０１７）０３—０００１—０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＡＮＧ Ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃ— ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｒｅａｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ，ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃａｒｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓ－ ｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ＳＭＣ—ＵＥＳＴＣ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｗｅｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｎｅｅｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｍｉｎｉａｔｕｒｉ－ ｚａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｕｎｉｔ 引 言 带来的不便捷问题更为显著。同时，电池也有诸如能 早在１８９３年哥伦比亚世界博览会上，美国科学家 量和功率密度的、充电速度慢、可靠性、体积大及 特斯拉就展示了他的利用无线电点亮灯泡的发明。此 重量大等一系列问题。而ＷＰｒＩ’在这些领域中则有着很 后，特斯拉在无线电工程技术领域注册了多项发明专 强的应用前景。 利＿ｌ＿ ，这是人类历史上首次对无线电能传输技术 ｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｗＰＴ）的积极探索。２００７ １ 应用领域 年，文献［４］在中等距离无线电能传输方面取得了新 １．１一对多供电与小型化线圈 进展，他们利用螺旋线圈以及平板电容构成谐振线圈 在无线供电线圈小型化研究方面。加拿大英属哥 “隔空”点亮了一盏离电源２ ｍ外的６０ ｗ灯泡，谐振 伦比亚大学（ＵＢＣ）ＲａｍＲａｋｈｙａｎｉ制作出了发射端直径 频率９．９ ＭＨｚ．传输效率达到了４０％。此发现迅速催 为６４ ｍｍ．接收端直径２２ ｍｍ供电系统，如图１所示为 生了全球无线电能传输的研究热潮。 目前，尽管电池在各种消费电子领域（如手机、笔 ＵＢＣ无线供电线圈。在２０ ｍｍ的传输距离下，可以达 记本电脑、平板电脑等）、植入式医疗设备领域有着很 到８０％的传输效率，输出功率为６０ ｍｗ左右［５］。韩 广的应用范围。但是由于电池容量的关系，这些电子设 国科学技术大学ＪｉｎｗｏｏｋＫｉｍ对多个接收设备供电时 备需要经常进行充电，导致在使用这些设备时很不方 的传输效率进行了研究，其发射线圈直径为１８０ｍｍ， 便。而在电动汽车等需要大功率电能的领域中，充电 接收线圈直径为４７ｍｍ。在１２ｍｍ的传输距离下，系 收稿日期：２０１７—０４—１７ ・专家论坛・ 电子机械工程 统总效率町以达到８０％以卜 如 ２所尔为帏闭科 ，１．２医疗领域 学技术大学・对多供电系统。 ＮＩ １ ＵＢＣ无线供电线圈 Ｉ广 ｌ ｉ＝＝’ 菇・笺 璺 蔓ｊ 网２韩国科学技术大学一对多供Ｉ乜系统 上海交通大学密西根学院Ｃｈｅｎｇｂｉｎ Ｍａ教授进一 步分析＿『一对多供电系统的理论与实验的传输效率，如 图３所示为上海交通大学一对多供电系统线 结构一 、 理工大学针对小型化线圈进行了研究，如 ４所 示，其发射线圈外径为５０ ｍｍ ｘ ５０ ＩＩＩＩＩｌ、接收线圈外径 为９．５ ｍｉｌｌ的线圈，．实现了３ ｉＩｌｍ处传输８７ ｍＷ的功 率，在接人整流电路后最大传输效率为６２，４％ Ｊ 冈３上海交通大学一对多供电系统线圈结构 罔４理工大学小型化线 结构 ・２・ 在医学领域的应用主要集ｒｌ１ 生物 学植入设备 领域，由于其特殊性，大尺寸的植人设备 叮能会导致组 织炎症甚至细胞死亡的问题，【大ｌ此植入设备无线供电 的研究重 一 主要集中在接收端小型化的研究 如 网５所示为新加坡同立大学无线供电线阁，Ｔｈａｋｏｒ对 电磁感应式无线供电在神经领域的应ｆ｝】进行了详细的 研究¨。 ，其植入式线圈采ｆ｛ｊ铜线设汁，在５ ｌｎｒＦｌ传输 距离下，最大传输效率可达６５．８％。但是南丁电磁感 应式的特性，当传输距离增ＪＪＩＪ时，能量会有很大的衰 减 ，南此造成远距离时传输效率低的问题 、 司５新』Ｊ【ｌ坡Ｉｑ● 大 ｆｊ ３Ｌｔ２线 为了解决电磁感应式无线供电远距离传输效率低 的问题，阿卜杜拉国王科技大学（ＫＡＵＳＴ）与英属哥伦 比亚大学（ＵＢＣ）共同提 一种小型化的磁耦合谐振 式无线供电系统” ，如Ｉ冬１ ６所示为ＫＡＵＳＴ与ＵＢＣ 肺于医疗的线圈，其发射线圈［ｆ径为３７ Ｉ１１１１１，接收线圈 直径为３０ ｌｌｌｍ，在２０ ｍｉｌｌ处传输效牢可达８２．４％．对 比电磁感应式，采用磁耦合潴振叮以兜服电磁感应式 在人体组织巾的衰减 斯坦福大学Ａｎｄｒｅｗ Ｍａ对ｌ尤线供电在医疗领域的 应用做了系统的评估和实验， 设计了更小尺寸的植入 设备 ，如图７所示为斯坦福川于医疗的线圈． 其 接收线圈直径为２ ｈｉｍ，发射器 寸为６０ ｈｉｍ ｘ ６０ ｌｌｌｍ． 同时论文对无线供电的安全性做了研究，在５００ Ｗ输入 的条件下，比吸收率（Ｓｐｅｃｉｉｆｔ・Ａ１）ｓ‘＞ｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ，ＳＡＲ）值 低于规定的２ Ｗ／ｋｇ Ｅ ］ ． 第３３卷第３期 杨平。等：无线１乜能传输技术的心』Ｉ Ｊ与研究 状 ・专家论坛・ ２ 电子科技大学研究现状 近年来，ＳＭＣ电子科技大学技术中心先后埘气动 系统无线电能传输的理论研究、线圈设计、功率放大器 以及接收端能 的处理方【『ｉ』进行了比较多的研究 如 图ｌ０所示为ＳＭＣ电子科技大学技术中心研究并制作 ７ 斯川椭用于医疗的线 的不同类型的偕振线圈，针埘各种谐振线圈进行ｒ理 论研究、仿真分析和实验验证 、 由上述可以发现，存医疗植入设备领域中，无论是 电磁感应式还是磁耦合谐振式，都足采用大线圈对小 线圈供电的方式，但是『｛１于电磁感应式能量随距离的 衰减，磁耦合谐振式往传输距离』二有更多的优势。此 外。由于接收线罔尺寸太小以及人体不能够接受太高 的比吸收率，现有的体内植入式的无线供电装氍郁存 在输ｆ｝Ｉ功率小的缺点【ｌ １．３电动汽车领域 同济大学为电动汽 设计的磁耦合谐振式尢线供 电装置．在２０ Ｃｎｌ的传输距离下，以９５％的效率传输 ３ ｋＷ的功率ｌ】 ，其发射与接收线圈的尺寸较大。如 ８所示为同济大学ＥＶ供电装置。 ８ ｌ词济大学ＥＶ供电装置 韩国快捷半导体公司利用磁耦合谐振原理设汁ｒ 为电动汽车无线供电的装置．如图９所示。发射线圈直 径为８Ｏ ＣＩｌｌ。接收线 直径为６０ ＣＩｌｌ，在２０ ｃ㈨的传输距 离下，可以实现３．３ ｋＷ和９６．５６％的传输效牢 Ｊ 、此 外，也出现了利用电磁感应原理设汁为高速列车无线供 电的装置，发射线圈铺设在２根铁轨之问，在５ ｃｔｎ的传 输距离下，以８２．７％的传输效率传送８１８ ｋＷ的功 率～ 罔９快捷ｌ半导体Ｅｖ供电线圈 由此可见，Ｆ｝１于供电需求的特殊性，在为电动车无 线供电时的功率很大，导致供电线圈的尺寸比较大，同 时传输距离比较小，其日的是为了保持高效率的能量 传输。 罔１０ ＳＭＣ电子科技大学技术中心的潴振线圈 Ｑ １ １所示为气动系统尢线供电试验平台，实现 ｒ对气动元件的稳定电 尤线供电 ．实验显示。存 ３００ ｎｌｎｌ的传输距离下（两倍线圈直径），可以输ｆｌ｛ ２４ ｗ直流电能，喈振系统的效率可以保持在５０％以 Ｊ ，无线能量传输系统的总效率为３１．９１％：而在 １００ Ｉｌｌｍ范同内，传输效牢叮以达到７０％以上。此 外，技术巾心也在线圈小型化设计及其应用方Ｉ自ｉ进 行了相关研究 图ｌ １ ＳＭＣ电子科技大学技术【ｆｌ心的 动系统无线供电试验平 ３ 结束语 本文从小型化、多接收端、医疗、电动汽车等应川领 域的角度，钳 对尢线电能传输技术的历史和发展现状进 行＿ｒ综述与分析．慨述了Ｈ前 内外研究机构在电磁感 应式和磁耦合凿振式尤线能 ｝传输的功率、效率和传输 距离盼情况，分析了各 技术的优缺点。其巾，磁耦合谐 振式传输能够克服电磁感应传输距离小的缺点。医疗领 域中由于体内植入设备数量的，无论是电磁感应式 还是磁耦合谐振式，医疗领域的研究主要都集中在一对 一电能传输．仉鉴于人体比吸收率、接收线圈的小 化的 ，现阶段对体内植入设备研究时所传输的功率都比 较低（几毫瓦到几百毫瓦） 而在电动汽车领域，｝｛１于供 电目标能量需求的特殊性，传输的功率都在ｋＷ级别，Ｉ１ 供电线圈的尺寸较大、传输距离较近，因此在电动汽车领 域无线能量传输的效率都很高 、 ・ ・
