0.1 无线电能传输的类型

无线电能传输主要有以下几种方式：电磁感应式、电磁共振式、微波辐射式、激光式和无线电波式。

1．电磁感应式无线电能传输

早在20世纪80年代，E.Abel和S.M.Third就提出了非接触式功率传输概念，以替代利用碳刷或拖线获取电能的方式。非接触电能传输利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术，借助于现代控制理论和微电子控制技术，实现了从静止电源系统向移动用电设备以非接触方式的电能传输。

电磁感应式无线电能传输系统主要由传输变换器、松耦合变压器的一次回路和二次回路三部分组成，其中传输变换器包括整流电路和高频逆变电路，一次回路包括一次侧补偿装置和松耦合变压器的一次绕组，二次回路包括松耦合变压器的二次绕组、二次侧补偿电路和负载等，如图0-1所示。其主要功能是将输入电源变换成高频电源，通过松耦合变压器传输到负载。图0-1中输入电源、整流电路和高频逆变、一次侧补偿电路与变压器的一次绕组属于固定不变部分，松耦合变压器二次绕组、二次侧补偿电路和负载等是可移动部分。

电磁感应式无线电能传输电路的基本特征就是将变压器的一次绕组和二次绕组分离，一次绕组与二次绕组之间有一段空隙，通过磁场耦合将一次电能传送到二次侧，这种结构称为松耦合变压器，如图0-2所示。

根据松耦合变压器一、二次侧之间所处的相对运动状态，其传输系统可分为分离式、移动式和旋转式三种，分别给相对于一次绕组保持静止、移动和旋转的电气设备供电。

电磁感应式无线电能传输的特点包括：①存在较大气隙，使得一、二次侧无直接电气接触，一次侧和二次侧的耦合关系属于松耦合，漏磁与励磁相当，甚至比励磁高。②传输距离较短，一般在厘米级甚至毫米级，一旦传输距离增加，系统效率迅速下降。③ 一次绕组与二次绕组的相对位置要求严格，当产生横向位移或角度发生变化时，系统效率下降明显。④如果金属异物进入能量传输空间，可能会导致局部升温，危害系统安全。

2．电磁共振式无线电能传输

电磁感应式无线电能传输在大气隙条件下，松耦合变压器耦合效率可提高的空间十分有限，靠提高变压器耦合系数来进一步提高变压器和系统的效率比较困难。电磁共振式无线电能传输为低耦合系数下的高效能量传输提供了全新的思路。相对于电磁感应式无线电能传输，电磁共振式的传输距离更远，可达到几米，且可实现空间全方位的电能传输。与电磁感应式无线电能传输系统相比，“变压器”并非由磁心及绕组构成，而是由两个螺旋绕组组成，两绕组的谐振频率要求相同，以产生共振耦合。

电磁共振式无线电能传输系统采用两个相同频率的谐振回路来产生很强的相互耦合电磁场，能量在两个谐振回路间交互，利用传输线圈及补偿电容共同组成谐振回路，实现能量的无线传输。图0-3是电磁共振式无线电能传输示意图。

电磁共振式无线电能传输系统在实际使用中，往往需要一个发射线圈供给多个接收线圈电能，或多个发射线圈供给一个接收线圈电能。

电磁共振式无线电能传输的特点包括：①利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。②中等距离传输，传输效率较高。③ 能量传输不受空间非磁性障碍物影响。④传输的效率及频率与传输线圈几何结构关系密切。

3．微波辐射式无线电能传输

微波辐射式无线电能传输系统的组成部分主要包括微波发射器、发射天线、接收天线、微波接收器。微波发射器包括整流电路和将直流变换到射频的微波变换器，发射天线则按定向控制方法的不同分为相控阵天线和具有定向功能的方向天线阵，通常采用抛物面天线结构实现其高聚焦能力。接收天线目前采用的是整流天线，将接收天线和微波接收器的功能组合在一起，即具有天线和整流器的功能，包括低通滤波器、整流二极管和直流滤波器，能够实现能量收集、谐波抑制和整流，它的简单形式包括一系列的整流天线元件，可以以串行或并行的方式连接在一起，并与负载匹配。图0-4是微波辐射式无线电能传输示意图。

微波辐射式无线电能传输的工作原理：首先通过磁控管组成的微波发射器将直流电能转换成微波能量，并由发射天线聚焦后将微波能量发射到空间，微波能量经空间介质传播到接收天线，接收天线接收后由整流设备组成的微波接收器将微波能量经过整流滤波电路转换为直流电能提供给负载，如图0-5所示。

微波辐射式无线电能传输的特点包括：①传输距离越远，频率越高，传播的能量越大。②在大气中能量传递损耗很小，能量传输不受地球引力差的影响。③ 微波波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波之间，容易对通信造成干扰。④能量束难以集中，能量散射损耗大，定向性差，传输效率低。

4．激光方式无线电能传输

激光方式无线电能传输系统的基本结构原理如图0-6所示，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。激光发射部分由激光器和激光驱动器组成，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：激光发射部分发出特定波长的激光，激光束通过光学发射天线进行集中，经整形处理后发射，并通过自由空间到达接收端，经过光学接收天线接收聚焦到光电转换器上完成激光-电能的转换。传输控制模块控制激光光束的发射方向，使光束与光伏电池板正入射，实现最高的光电转换效率。

激光方式无线电能传输的特点包括：①传输距离远，激光传输波长较短，不存在干扰通信卫星的风险。②激光不像微波那样可以闯过云层，障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换。③ 激光束能量可能中途丧失一半。

5．无线电波式无线电能传输

无线电波也称为电磁波，现在的广播、电视等现代通信技术都采用无线电波技术作为基础，它同时能传输电能，特别是微波，其类似于早期使用的矿石收音机。无线电波电能传输系统主要由无线发射装置和无线接收装置组成，接收装置可以捕捉到无线电波能量，通过变换电路输出稳定的直流电压。

无线电波式无线电能传输的特点包括：①传送距离长。②由于磁通向空间全方位辐射，能够接收的功率很小，主要用途是在便携式终端中提供待机时消耗的功率。

以上几种无线电能传输技术中，电磁感应式和电磁共振式无线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的无接触电能传输。微波辐射式无线电能传输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。激光方式无线电能传输主要用于空间太阳能电站、特殊军用设备的无线供电等领域。

目前，各种无线电能传输技术在不同应用领域的传输水平也各不相同。电磁感应式无线电能传输的工作频率一般从几十千赫兹至几百千赫兹，传输距离从几毫米至十几毫米。电磁共振式无线电能传输的工作频率一般从几十千赫兹至几十兆赫兹，传输距离从几厘米至几米。微波辐射式无线电能传输通常采用S波段和C波段进行微波能量传输，传输距离一般从几百米至几千米。激光方式无线电能传输通常采用波长为800nm的激光进行无线能量传输，传输距离从几十米至几千米。以上几种无线电能传输技术中，电磁感应式和微波辐射式起步早，技术研究与应用发展都较为成熟，电磁共振式起步较晚，近年来发展迅速，取得了不少突破性进展，而激光方式起步也较早，但目前关键技术仍不成熟。