1.3　无线电能传输技术的分类

无线电能传输技术按传输机理的不同，可分为电磁感应式、电磁谐振式、电磁辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等；按电磁场距离场源的远近，可分为近场耦合式和远场辐射式。其中，电磁感应式、电磁谐振式和电场耦合式为近场耦合式无线电能传输，电磁辐射式和激光方式则为远场辐射式无线电能传输。

电磁感应式和电磁谐振式无线电能传输技术利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈，从而实现对负载的无线电能传输。其中，电磁感应式技术发展较为成熟，传输功率较大，在较短的传输距离内传输效率较高，随着传输距离的增大，传输效率迅速变小；电磁谐振式是磁感应耦合式的一种特例，通过发射接收线圈的磁耦合谐振实现高效非辐射能量传输，传输距离比磁感应式要大，属于中等距离无线电能传输技术。电磁辐射式和激光式无线电能传输技术利用电磁场远场辐射效应在自由空间进行电能传输，电磁辐射式无线电能传输技术传输距离较远，传输过程中的大气损耗较小，但微波发散角大，功率密度低；而激光式无线电能传输技术具有定向性好、能量密度高等特点，但定向精度要求高，目前技术仍不够成熟。

目前国内外研究机构研究较多的无线电能传输技术根据基本结构和工作原理分为两大类共四种方式，即分为辐射式和非辐射式，其中辐射式无线电能传输技术分为激光式无线电能传输技术、电磁辐射式无线电能传输技术；非辐射式无线电能传输技术分为电磁谐振式无线电能传输技术和电磁感应式无线电能传输技术。激光式无线电能传输技术和电磁辐射式无线电能传输技术可用于远距离电能传输；电磁谐振式无线电能传输技术适用于中等距离电能传输；电磁感应式无线电能传输技术可用于近距离电能传输。

表1-2是以上四种无线电能传输技术和传统供电技术特点的比较。

1.3.1　激光式无线电能传输

激光式无线电能传输的基本结构原理如图1-4所示。激光方式无线电能传输系统的组成部分主要包括激光发射部分、激光传输部分和激光-电能转换部分。其中，激光发射部分由激光驱动器和激光器组成，激光传输部分由光学发射天线、光学接收天线和传输控制模块组成，激光-电能转换部分由光电转换器和整流稳压器组成。激光方式无线电能传输的工作原理是，激光发射模块发出特定波长的激光，激光束通过光学发射天线进行集中、准直整形处理后发射，并通过自由空间到达接收端，且经过光学接收天线接收聚焦到光电转换模块上完成激光-电能的转换。传输控制模块控制激光光束发射方向，使光束与光伏电池板正入射，实现最高的光电转换效率。

图1-4所示激光式无线电能传输系统的总传输效率为

η=ηe-oηtηrηo-e（1-1）

式中　ηe-o——激光器的电-光转换效率；

ηt——光学发射的透射效率；

ηr——接收天线的透射效率；

ηo-e——光电转换器的光-电转换效率。

因此，为提高系统的总体传输效率，需选用高效可靠的器件，并对各个环节进行优化，从而实现系统的最大传输效率。

激光式无线电能传输技术有待研究的关键问题主要包括激光器的温度控制、激光光束准直技术、激光-电能转换效率的提高，以及光学接收天线的设计等。通过相关的应用试验可以看出，该技术在空间无线能量传输和高空飞行器或无人飞机领域有广泛的应用前景。

1.3.2　电磁辐射式无线电能传输

对无线电能传输技术来说，能量传递的效率是最重要的。因此，方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束是实验优先选择的途径。但激光光束在空间传输易受到空气和尘埃的散射，非线性效应明显，且输出功率小，因此，微波传输能量成为首选。

微波是指那些频率在300～3000MHz之间的电磁波，它的波长在1mm～1m之间。电磁波俗称无线电波，它是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。美国一家公司Power Cast开发了这项技术，可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件，即称为Power Caster的发射器模块和称为Power harvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。

电磁波无线能量传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理，例如微波无线能量传输技术，就是利用微波转换装置把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经过微波整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。该技术可以实现极高功率的无线传输，但是在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物，微波在空气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特殊场合，如低轨道军用卫星、天基定向能武器、微波飞机、卫星太阳能电站等许多新的、意义重大的科技领域，具有美好的发展前景。

因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强。微波传输能量就是将微波聚焦后定向发射出去，在接收端通过整流天线（rectenna）把接收到的微波能量转化为直流电能。

作为一种点对点的能量传输方式，微波能量传输具有以下特点：

①以光速传输能量；

②能量传输方向可迅速变换；

③在真空中传递能量无损耗；

④波长较长时在大气中能量传递损耗很小；

⑤能量传输不受地球引力差的影响；

⑥工作在微波波段，换能器可以很轻便。

20世纪60年代，William C向世人展示了电磁波传输电能示意图，如图1-5所示，该电磁波传输系统包括微波源、发射天线、接收天线和整流器等几部分，其中最关键的是把微波或激光束的能量转变为直流电的整流器。微波源是可供无线输电技术选用的电磁波发生器，电磁波源内有磁控管，在2.45GHz频段输出5～200W的功率，在厘米波段，理想磁控管和放大管的效率分别为90%和80%，而理论上效率最高的磁旋束管放大器可达到100%，放大系数无限大；在毫米波段，回旋管的实际效率已达到40%；在光波波段，阳光直射时激光器的效率约20%。微波源输出的能量通过同轴电缆连接到适配器上，亚铁酸盐的循环器连接在波导管上，使波导管和发射天线相匹配。发射天线包含8个部分，每个部分上都有8个缝隙，这64个缝隙均匀地向外发射电磁波。这种开孔的波导天线很适合用于无线电能传输，因为它有高达95%的孔径效率和很高的能量捕捉能力。硅控整流二极管天线用来收集微波并把它转换成直流电，在展示的电磁波输能系统中该接收天线拥有25%的收集和转换效率，这种天线在2.45GHz测试时曾经达到甚至超过90%的效率。传输距离比较远之后，增强天线的方向性和效率会十分困难。

对电磁辐射式无线电能传输技术进行定量分析时，效率是一个至关重要的因素。如图1-5 所示电磁辐射式无线电能传输系统的总传输效率为

η=ηgηtηsηrηd（1-2）

式中　ηg——微波功率源的转换效率；

ηt——微波发射天线的透射效率；

ηs——微波在自由空间中从发射端到接收端的传输效率；

ηr——微波接收天线的接收效率；

ηd——整流电路的整流转换效率。

式（1-2）中，微波发射/接收天线的效率ηt、ηr取决于天线的优化设计，即发射/接收天线的口径场分布设计；而微波在自由空间中的传输效率可达100%。

用D代表微波在自由空间传输的距离，At、Ar分别代表发射天线和接收天线的面积，λ表示工作波长，则微波在自由空间的传输效率η是参数τ的函数，τ的函数表达式为：。如图1-6所示为它们之间的关系图，假设发射天线的口径场分布为高斯型。

从曲线可以得出这样一个结论，传输效率和传输距离没有直接的联系，而是由决定。故距离D增大的效应可由At、Ar的增加或λ的减小来补偿。微波传输能量的总效率等于直流到微波、微波传输和接收整流三部分效率之积。

表1-3给出了微波输能总效率的分布。由表1-3可以看出，当前微波传输能量的效率还不高，但是还是很有发展潜力的。

早在1968年，美国航天工程师Peter Glaser就已经更进一步，提出了空间太阳能发电 （SSP，Space Solar Power）的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。这一设想，不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量，而是要把能量在三万多千米之外，从太空精确地射向地面接收站。

加拿大科学家正计划制造一架无人飞机，飞行高度33km，可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程无线供电飞机，本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过微波接收天线接收能量，转换成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。因为无需携带燃料和发动机，这种飞机的有效载荷将会大大提升。

尽管电磁辐射式无线电能传输技术的研究起步较早，相关的研究成果较多，但是主要集中在空间无线能量传输和高空飞行器及无人机功能等应用领域。目前，国内外学者对电磁辐射式无线电能传输技术研究较多的主要包括微波整流天线、微波发射天线以及微波功率源，其中微波发射天线和微波功率源已有比较成熟的技术，但是整流天线技术、发射天线极化的方向控制与跟踪，系统各部件的有机结合，以及如何提高整体转换效率仍有待研究。

1.3.3　电磁谐振式无线电能传输

谐振是一种非常高效的能量传输方式，它的基本原理是：两个振动频率相同的物体之间可以高效地传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。根据谐振的特性，能量传输是在一个谐振系统内部进行，对谐振系统以外的物体没有影响。

如图1-7所示为电磁谐振式无线供电模型，A是一个半径为25cm的单匝铜环，它是激励电路的一部分，输出频率为9.9MHz的正弦波。S和D是自谐振线圈。B是连接到负载（灯泡）的单匝导线环。不同的k代表箭头表示的对象之间的直接耦合。调整线圈D和A之间的角度，保证它们之间的直接耦合等于零。线圈S和D同轴排列。线圈B和A以及B和S的直接耦合是可以忽略不计的。

将发送端和接收端的线圈调校成一个谐振系统，当发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生谐振，从而实现能量最大效率地传输。

图1-8是LC谐振耦合模型示意图。谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最小，但对每一支路而言，其电流都可能比总电流大得多。谐振时流过并联补偿电容的电流注入或吸收了初级绕组中电流的无功分量，从而降低了对供电系统的电流要求。

如果不考虑周围空间的结构，并且在干涉损耗和散失在周围环境中的损耗很低时，电磁谐振式无线电能传输系统可以在接近全方向的状态下实现并达到很高的效率。

电磁谐振式无线电能传输系统可以借助耦合模型理论加以描述。当初级端和次级端谐振时，传输的功率最佳。如果从能量在系统内的衰减程度来计算传输效率，那么此时的效率η可表示为

　　（1-3）

式中　ΓS——源的衰减率；

ΓD——被驱动装置的衰减率；

ΓW——无负载装置时的附加项；

k——初、次级绕组之间的耦合系数。

由式（1-3）可见，当时，η具有最大值，且传输效率高的关键是：。

麻省理工学院（MIT）以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了灯泡的电磁谐振式无线供电技术，他们从6ft（1ft=0.3048m，下同）的距离成功地点亮了一个60W灯泡，如图1-9所示。演示装置包括直径为3ft的匹配铜线圈，以及与电源相连的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现，即使两个谐振线圈间有障碍物存在时，也能让灯泡继续发光。

如果线圈的谐振频率是利用线圈自身的电感和高频杂散电容所形成的线圈自谐振频率，虽然谐振频率高达兆赫兹级，但是系统稳定性和可控性很不理想，系统的传输效率对频率的选择性较高，如图1-10所示，尤其当系统的工作频率偏离线圈的谐振频率时，整个系统的传输效率会急剧下降。

这项称为WITricity的无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。MIT研究人员认为，他们发现的是一种全新的无线供电方法——非辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段，一个号角波导产生一个衰减（Evanescent）电磁波，倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式，即衰减场传播波模式，能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说，衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上，这个过程与量子隧道效应相同，只是电磁波替代了量子力学中的波函数。这个方法也称为共振感应耦合，以区别于普通电磁感应耦合，它使用单层线圈，两端放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，减少能量的浪费。

MIT的研究具有划时代意义，推出了同时实现以下两种设想的系统：

①利用高 Q 值（500～2500）的谐振技术；

②积极利用不向远处传播的“磁近场”，在发射源附近，有一个近区场，其中磁场能量在发射源周围空间及发射源线圈内部之间周期性地来回流动，不向外发射（如附近无谐振接收装置），也称为感应场。

MIT的研究人员一反常规，最大限度地利用了近场，并开发出了无线电力传输系统。开发这种系统，需要在线圈的形状以及特定振动模式的激发方面下工夫。这是一种基于电磁感应的能量传输，实际上融合了谐振技术，与电磁感应完全不同。其实，MIT 的电力传输系统“可以发出强度与贯穿线圈内部的磁通量变化幅度成正比的电动势”，传输的电力远远超过法拉第电磁感应定律。使用基于电磁感应的非接触电力传输时，利用圈数为数百的线圈并且缠绕紧密，才能勉强在数毫米的距离上得到超过60%的传输效率。而MIT的系统在进行2m传输时效率约为40%。距离为1m时更是实现了令人震惊约90%的高效率。作为发射\接收的线圈也只是缠绕的5圈粗铜线。可见，与电磁感应不同，该技术并不单纯依靠磁通量强度取胜。

MIT的科学家们对无线电能传输理论的研究给出了富有启发性的结论。

①可行性。通常情况下，电磁辐射具有发散性，相隔较远的接收器只能接收到发射能量的极小一部分。而当接收天线的固有频率与发射端的电磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。MIT的实验表明，当收发双方相隔2m时，传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此，在几米内“中程”（相较于“近程”和“远程”而言）传输电力是可行的。

②安全性。从电磁理论而言，人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何风险。医院对病人进行核磁共振检查时，磁场强度高达B≈1T也不会伤害人体。相比之下，共振状态下磁场强度处于B≈10-4T数量级，仅相当于地磁场的强度，因此不会对人体构成危害（如图1-11所示）。

MIT的Marin Soljacic 教授等人在提出MCR-WPT之后，又进一步研究了单一电源给2个负载供电的情况。参考文献［160］则结合多个中继谐振线圈和多个接收线圈的结构，如图1-12所示，对该传输系统进行研究分析，同时说明了该系统不受弱导磁性物体的影响。

虽然麻省理工学院的实验获得了成功，也有研究人员认为，MIT的实验可用电磁波近距离（在波长的范围内）辐射原理来解释，此前已有类似的技术，比如无源RFID标签。谐振耦合虽能增加传输距离，但因增加了一个电容器，从而也增加了体积。此外，谐振回路有一个重要参数品质因子，高品质因子表明谐振时能量损耗少，另一方面，高品质因子意味着谐振带宽窄，会带来系统设计的难度。除了上述因素，还要考虑以下问题。

①安全性：人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因素。

②串扰：串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的，应予以关注和解决。

③效率：线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强，垂直时几乎没有耦合，被供电设备的放置会对效率有很大影响。

所以该技术的改进空间依然很大。下一步，有望在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备内置接收端的目标。

就在MIT科学家的研究工作取得实质性进展的辉煌时刻， Power Cast公司也推出了一种适合中短距离使用的无线充电装置。与前面提到的Splash Power和Wild Charge两家公司的接触式充电器不同，Power Cast公司的射频充电器不需要充电垫子，电子设备搁置在距离发送器约1m范围内的任何地方都可以充电。

Power Cast公司的无线电能传输系统包括一个安装在墙上的发送器以及可以安装在电子产品上的接收器（如图1-13所示）。发送器这边利用915MHz频段把射频能量发送出去，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

西雅图Intel实验室的研究小组，于2008年8月，运用谐振耦合技术研制出能够为小电器充电的无线传输装置。该实验小组研制的另一个电磁谐振耦合无线传输装置能在相距1m时，点亮一个60W的灯泡，效率为75%，如图1-14所示。

电磁谐振式无线电能传输技术待解决的关键问题主要有系统参数变化敏感问题、不同负载识别和多负载的阻抗匹配问题、电磁环境安全问题以及电磁兼容问题等。

1.3.4　电磁感应式无线电能传输

交流电源中一个重要部件——变压器就是利用电磁感应的基本原理工作的，变压器由一个磁芯和两个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。

电磁感应式无线电能传输系统的工作频率为50Hz～200kHz。作为无线电能传输技术的重要的组成部分，电磁感应式无线电能传输技术采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，消除了摩擦、触电的危险，提高了系统电能传输的灵活性，它能显著地减小用电系统的重量和体积。

电磁感应式无线电能传输技术就是利用电磁感应原理实现电能从一个子系统传输到另一个子系统。这种技术目前已经在一些商业化产品和系统中使用，典型的是变压器，如图1-15（a）所示。变压器感应电能传输系统的特点是：初、次级绕组之间位置相对固定，紧密耦合，传输效率高。如图1-15（b）所示，电磁感应式无线电能传输技术正是利用了变压器的感应耦合这一特点，将传统变压器的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，电源和负载单元之间不需要机械连接进行能量耦合传输。在19世纪末20世纪初，Tesla就提出交流磁场驱动小灯，但是由于技术和材料的限制，效率很低。随着电力电子技术、高频技术和磁性材料的巨大发展以及多种场合下电工设备感应式供电需求的增长，这种新型的能量传输技术正逐步兴起。

为了便于分析，将图1-15所示的电磁感应式无线电能传输系统示意图简化成如图1-16所示的电路分析模型。

图1-16中初级绕组中的电流为I1，初、次级绕组间的互感为M。jωMI1为初级电流I1在次级绕组中感应产生的电压，-jωMI2为次级绕组中的电流I2在初级绕组中的感应电压值。初级绕组的电阻和电感分别为R1和L1，次级绕组的电阻和电感分别为R2和L2，负载电阻为RL，负载电压为U2。电磁感应式无线供电装置的电压平衡方程为

　　 （1-4）

电磁感应式无线电能传输系统的传输效率为

　　（1-5）

式中　η——传输效率；

PL——负载上的功率；

P1——输入功率；

IL——负载电流；

RL——负载电阻；

Re——反应电阻；

I1——初级绕组电流；

U1——输入电压。

到目前为止，对电磁感应无线电能传输技术的研究取得的成果较多，其应用也较为成熟，但仍然存在一些待研究的关键问题，如可分离变压器的漏磁与耦合系数低问题、可分离变压器原副边的对准容差问题以及电磁兼容问题等。

根据工作过程中初、次级绕组之间相对位置的不同存在方式，电磁感应式无线电能传输系统按结构可分为三类：静止式、滑动式（直线式）和旋转式。

静止式的电磁感应式无线电能传输系统主要用于能够保证初次级绕组相对位置固定不变的场合，如各类小型电子类产品。该类型的耦合变压器分为耦合线圈有磁芯和耦合线圈无磁芯两种。

滑动式电磁感应式无线电能传输系统一般设计为细长型结构，如图1-17所示，该类型的设计可以满足移动电气设备馈电灵活性的需求，实现对运动中电气设备的动态供电。

旋转式电磁感应式无线电能传输系统的初次级绕组可以绕轴心做相对旋转运动，如图1-18所示，这种结构方式为旋转式用电设备电能需求提供了便利条件。

上述三种无线电能传输技术中，电磁感应式无线电能传输技术主要通过电力电子技术进行电能变换，然后利用可分离变压器的感应耦合作用实现无接触电能传输，主要用于交通运输、水下作业、生物医学、消费电子设备以及一些特殊工业应用等领域。电磁谐振式无线电能传输技术具有非辐射能量传输的特性，且能量的传输不受空间非磁性障碍物的影响，对外部环境的电磁辐射影响较小，传输效率较高，但传输功率仍有待提高，主要用于电动汽车、医疗电子设备和消费电子设备等领域。电磁辐射式无线电能传输技术主要通过自由空间将电能以微波的形式进行传输，传输损耗只有大气、粉尘微粒、雨衰和遮挡物损耗等，微波波束强度和方向容易控制，使功率密度满足国际安全标准的要求，主要用于空间太阳能电站、高空飞行器或无人飞机供电等领域。激光式无线电能传输技术主要以激光能的形式传输能量，方向性强、能量集中，所需传输和接收设备只有微波的1/10，主要用于空间太阳能电站、特殊军用设备的无线电能传输领域等。