華南理工大學(xué)電力學(xué)院、直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—南方電網(wǎng)科學(xué)研究院的研究人員張波、疏許健、黃潤鴻，在2017年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，無線電能傳輸技術(shù)已成為國內(nèi)外最受關(guān)注的研究課題，是未來電力發(fā)展的必然趨勢。

首先介紹無線電能傳輸技術(shù)的起源，追溯到電磁波的發(fā)現(xiàn)；接著分析無線電能傳輸技術(shù)的三種主要形式，包括感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)、諧振無線電能傳輸技術(shù)和微波無線電能傳輸技術(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對三種形式的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述，詳細(xì)闡述目前國內(nèi)外無線電能傳輸技術(shù)的研究成果，并對比分析目前研究最廣泛的感應(yīng)和諧振無線電能傳輸技術(shù)在原理、系統(tǒng)構(gòu)成、分析方法以及運(yùn)行條件上的異同，最后對無線電能傳輸技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)是指無需導(dǎo)線或其他物理接觸，直接將電能轉(zhuǎn)換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間將能量從電源傳遞到負(fù)載的電能傳輸技術(shù)，因此又被稱為非接觸電能傳輸（ContactlessEnergy Transfer, CET）技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電源與負(fù)載之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活等傳統(tǒng)電能傳輸方式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1,2]。

無線電能傳輸是人類一百多年來孜孜不倦追求的目標(biāo)，該技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，涉及電學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、控制科學(xué)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。無線電能傳輸可以有效地克服裸露導(dǎo)體造成的用電安全、接觸式供電的火花、接觸機(jī)構(gòu)的磨損等問題，并避免在潮濕、水下、含易燃易爆氣體的工作環(huán)境下，因?qū)Ь€式或接觸式供電引起的觸電、爆炸、火災(zāi)等事故。

無線電能傳輸技術(shù)的出現(xiàn)還促進(jìn)了大量新型應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)生，如植入式醫(yī)療設(shè)備的非接觸式供電、超高壓/特高壓桿塔上監(jiān)測設(shè)備的非接觸式供電、家用電器的非接觸式供電、移動設(shè)備的非接觸式供電及電動汽車的無線充電等。伴隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電動汽車的無線充電技術(shù)將極大地促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

此外，在太空領(lǐng)域，還可以通過無線電能傳輸方式把外太空的太陽能傳輸?shù)降孛妗⒃诤教炱髦g實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸；在軍事領(lǐng)域，無線供電可以有效地提高軍事裝備和器械的靈活性和戰(zhàn)斗力。因此，世界主要發(fā)達(dá)國家都十分重視無線電能傳輸技術(shù)的研究，美國麻省理工學(xué)院主辦的《麻省理工技術(shù)評論》雜志已將無線電能傳輸技術(shù)列為引領(lǐng)世界未來的十大科學(xué)技術(shù)之一[3]。

1 無線電能傳輸技術(shù)的起源

無線電能傳輸技術(shù)的起源可以追溯到電磁波的發(fā)現(xiàn)。1865年，麥克斯韋在前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，歸納出著名的麥克斯韋方程組，理論上預(yù)見了電磁波的存在。1888年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)成功地“捕獲”了電磁波，從而為電信號的無線傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為電能的無線傳輸提供了發(fā)展的可能。

繼電磁波發(fā)現(xiàn)不久，偉大的發(fā)明家特斯拉就開始了無線電能傳輸技術(shù)的探索[4]，在其專利“電氣照明系統(tǒng)”中通過改進(jìn)赫茲波發(fā)射器的射頻電源[5]，提出了無線電能傳輸?shù)膫ゴ笤O(shè)想；1893年，特斯拉在哥倫比亞世界博覽會上，在沒有任何導(dǎo)線及其他物理連接的情況下，隔空點(diǎn)亮了一盞磷光照明燈[6]。

特斯拉展示的照明燈無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[7]，發(fā)射端由高頻交流電源、變壓器、發(fā)射線圈P、電火花間隙開關(guān)S. G和電容器C組成；接收端由接收線圈S和一個(gè)40W的燈泡組成；發(fā)射線圈與接收線圈直徑均為24in（1in=0.025 4m，24in大約60cm），匝數(shù)見圖1中標(biāo)注。

當(dāng)發(fā)射線圈電感L與電容器C以高頻交流電源的頻率發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電容器C上產(chǎn)生的諧振電壓將擊穿電火花間隙開關(guān)S. G，使發(fā)射線圈P與電容器C經(jīng)S. G短路發(fā)生串聯(lián)諧振，發(fā)射線圈P上流過的諧振電流產(chǎn)生磁場，耦合到接收線圈S，轉(zhuǎn)換成電能將燈泡點(diǎn)亮。該裝置可以在發(fā)射線圈和接收線圈相距1ft（1ft=0.304 8m，大約30cm）范圍內(nèi)工作。

圖1 特斯拉無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置

1898年，特斯拉又把無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到人體電療中，成果在美國電療協(xié)會第8次年會上首次展示，并刊登在《電氣工程師》第544期和550期上，1999年被《Proceedings ofthe IEEE》作為經(jīng)典論文重印[8]。

特斯拉提出無線電療裝置如圖2所示，發(fā)射線圈為一個(gè)直徑不小于3ft（大約90cm）的大鐵環(huán)H，鐵環(huán)上繞有幾匝粗大的電纜線P，兩端并聯(lián)一個(gè)由大面積極板形成的可變電容器，然后與電源相聯(lián)；接收線圈為一普通漆包線繞制的線圈S，用兩個(gè)木箍h和硬紙板固定，連接到人體。該裝置工作時(shí)，發(fā)射線圈與可變電容器在電源頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振，流過發(fā)射線圈的諧振電流產(chǎn)生磁場，耦合到接收線圈，轉(zhuǎn)換為電能對人體進(jìn)行電療。

圖2 特斯拉的無線電能傳輸電療實(shí)驗(yàn)裝置

1899年，特斯拉在科羅拉多州開展了大規(guī)模無線電能傳輸?shù)膰L試，發(fā)明了諧振頻率為150kHz的特斯拉線圈[9]，并在長島建造了著名的特斯拉塔如圖3所示。雖然最終由于資金匱乏，利用特斯拉塔進(jìn)行大功率無線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)沒有實(shí)現(xiàn)，但留給人們無限的遐想。

特斯拉甚至還設(shè)想將地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，在它們之間建立起8Hz的低頻電磁共振（舒曼共振），實(shí)現(xiàn)全球無線電能傳輸。因此，特斯拉毫無疑問是無線電能傳輸?shù)拈_拓者，是無線電能傳輸原理和技術(shù)的奠基者[10]。

圖3 著名的特斯拉塔

2 無線電能傳輸技術(shù)的形式

無線電能傳輸技術(shù)主要分為三種基本形式：

（1）感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)可通過兩種原理實(shí)現(xiàn)：①基于電磁感應(yīng)原理，將發(fā)射線圈和接收線圈置于非常近的距離，當(dāng)發(fā)射線圈通過電流時(shí)，所產(chǎn)生的磁通在接收線圈中感應(yīng)電動勢，從而將電能傳輸?shù)截?fù)載；②基于電場耦合原理，通過兩個(gè)可分離電容極板的電場變化，實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸。

（2）諧振無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)同樣可通過兩種原理實(shí)現(xiàn)：①基于磁諧振原理，在近場范圍內(nèi)，使發(fā)射線圈與接收線圈均工作于自諧振或諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電能的中距離無線電能傳輸；②電場諧振原理，通過使兩個(gè)帶有電感的可分離電容極板工作于諧振狀態(tài)，通過電場諧振實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。

（3）微波無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是將電能轉(zhuǎn)換成微波，然后通過天線向空間發(fā)射，接收天線接收后轉(zhuǎn)換為電能給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸。與該技術(shù)原理相同的無線電能傳輸方式，還有基于射頻技術(shù)的無線電能傳輸、基于激光的無線電能傳輸和基于超聲波的無線電能傳輸?shù)取?/span>

以上三種形式的無線電能傳輸技術(shù)，按照工作于電磁場非輻射區(qū)或是輻射區(qū)來進(jìn)行分類，可以將它們分為非輻射式無線電能傳輸技術(shù)和輻射式無線電能傳輸技術(shù)，其中感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)、諧振無線電能傳輸技術(shù)屬于非輻射式，而微波無線電能傳輸技術(shù)則屬于輻射式。

不同的無線電能傳輸技術(shù)性能各異，感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)的傳輸功率大，最大功率可達(dá)幾百kW以上，且效率較高，最大效率在90%以上，但傳輸?shù)木嚯x很短，一般在幾cm以下[11]；諧振無線電能傳輸技術(shù)現(xiàn)階段電能傳輸距離從十幾cm到幾m，傳輸功率從幾十W到幾kW，效率從40%到90%以上；微波無線電能傳輸技術(shù)傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，為km級，傳輸功率從mW級到MW級，但效率極低，一般低于10%。目前最具有發(fā)展和應(yīng)用前景的是感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)和諧振無線電能傳輸技術(shù)。

3 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程

3.1 感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)

1894年，繼特斯拉之后，M. Hutin和M. Leblanc申請了“電氣軌道的變壓器系統(tǒng)”專利，提出了牽引電車的3kHz交流電源感應(yīng)供電技術(shù)[12]。間隔大約半個(gè)世紀(jì)，1960年，B. K. Kusserow提出植入式血泵感應(yīng)供電方式[13]，開始了感應(yīng)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)行一項(xiàng)被命名為“經(jīng)皮層能量傳輸”的研究項(xiàng)目[14,15]，提出利用接收線圈串聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)諧振無功補(bǔ)償，從而達(dá)到高效電能傳輸[16,17]。

1970年，紐約大學(xué)的A. I. Thumim等發(fā)表了植入式醫(yī)療設(shè)備感應(yīng)供電的論文，提出了在發(fā)射線圈、接收線圈同時(shí)進(jìn)行串聯(lián)電容無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，并研究了耦合系數(shù)對電能傳輸性能的影響[18]。1971年，射頻技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備上的發(fā)展[19]，旋轉(zhuǎn)變壓器在同期誕生[20]，用于取代電刷。

1972年，新西蘭奧克蘭大學(xué)的Don Otto申請了采用可控硅逆變器產(chǎn)生10kHz的交流電給小車感應(yīng)供電的專利（NZ19720167422,JP49063111），首次驗(yàn)證了給移動物體感應(yīng)供電的可能性。1974年，出現(xiàn)了電動牙刷的感應(yīng)無線充電技術(shù)[21]，裝在杯型底座的電源通過電磁感應(yīng)給牙刷中的電池充電。1978年，電動汽車的感應(yīng)無線充/供電也引起了學(xué)術(shù)界極大的興趣[22]。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，對電動汽車感應(yīng)無線電能傳輸理論的探索和應(yīng)用實(shí)踐又有了進(jìn)一步發(fā)展[23-25]。同時(shí)在植入式醫(yī)療器械非接觸供電技術(shù)方面也有了較大突破，1981年，Ian C. Foster進(jìn)一步提出了在接收線圈進(jìn)行并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ岣吡藗鬏斝屎臀灰迫莶頪26]。1983年，英國醫(yī)學(xué)研究理事會的N. N. Donaldson和T. A. Perkins提出了發(fā)射線圈進(jìn)行串聯(lián)電容補(bǔ)償、接收線圈進(jìn)行并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，證明存在最優(yōu)的耦合系數(shù)和最大接收功率，但效率較低只有50%[27]。

1989年，A. Ghahary發(fā)展了用串聯(lián)諧振變換器實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮能量傳輸和對副邊線圈進(jìn)行串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)[28,29]。1996年，G. B. Joun又提出了一次側(cè)和二次側(cè)同時(shí)進(jìn)行串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)[30,31]。

新西蘭奧克蘭大學(xué)的J. T. Boys教授，是20世紀(jì)90年代以來對感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展推動最大的學(xué)者之一，他系統(tǒng)地開展了對感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)的研究[32-34]，他的研究團(tuán)隊(duì)完善了感應(yīng)無線電能傳輸?shù)耐負(fù)溲a(bǔ)償和穩(wěn)定性理論[35-37]。

J. T. Boys教授于1991年申請的“感應(yīng)配電系統(tǒng)”的專利，已成為近20年來感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑[32]，該專利首次系統(tǒng)地提出了感應(yīng)無線電能傳輸裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，該結(jié)構(gòu)如圖4所示。發(fā)射線圈由三相交流電供電，具有并聯(lián)補(bǔ)償?shù)哪芰渴叭【€圈或接收線圈，接收線圈輸出經(jīng)整流和開關(guān)模式控制給負(fù)載供電，該結(jié)構(gòu)在軌道電車非接觸供電和電動汽車無線充電中得到成功的應(yīng)用。

圖4 感應(yīng)配電系統(tǒng)

21世紀(jì)以來，感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)開始走向產(chǎn)品化。2003年，英國SplashPower公司開始進(jìn)行感應(yīng)無線電能傳輸?shù)漠a(chǎn)品開發(fā)，2005年研制的無線充電器“SplashPad”上市[38]，可以實(shí)現(xiàn)1mm內(nèi)的無線充電；同年，美國WildCharge公司開發(fā)的無線充電系統(tǒng)，功率達(dá)到90W，可以為多數(shù)筆記本計(jì)算機(jī)以及各種小型電子設(shè)備充電[39]，而香港城市大學(xué)的徐樹源教授則成功研制了通用型非接觸充電平臺[40]，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無異。

2006年，日本東京大學(xué)的學(xué)者利用印制塑性MEMS開關(guān)管和有機(jī)晶體管，制成大面積的無線電能傳輸膜片[41,42]，該膜片上印制有半導(dǎo)體感應(yīng)線圈，厚度約為1mm、面積約為20cm2、重約為50g，可以貼在桌子、地板、墻壁上，為裝有接收線圈（用于接收電能）的圣誕樹上的LED燈、裝飾燈、魚缸水中的燈泡或小型電機(jī)供電。

2007年微軟亞洲研究院設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種通用型“無線供電桌面”，可隨意將筆記本、手機(jī)等移動設(shè)備放在桌面上即可自動開始充電或供電[43]；同年3月，美國賓夕法尼亞州的Powercast公司開發(fā)的無線充電裝置可為各種小功率的電子產(chǎn)品充電或供電，該技術(shù)采用915MHz的頻率，實(shí)現(xiàn)1m范圍內(nèi)的無線電能傳輸，據(jù)稱約有70%的電能轉(zhuǎn)化為直流電能，該技術(shù)已獲得美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission, FCC）的批準(zhǔn)[44]。

在大功率感應(yīng)無線電能傳輸產(chǎn)品開發(fā)方面，主要集中在給移動設(shè)備，特別是在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備供電，例如電動汽車、起重機(jī)、運(yùn)貨車以及水下、井下設(shè)備[45-51]。目前商業(yè)化產(chǎn)品的傳輸功率已達(dá)200kW，傳輸效率在85%以上，典型的有日本大阪幅庫（Daifuku）公司的單軌型車和無電瓶自動貨車，新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思（Univervices）公司的羅托魯瓦（Rotorua）國家地?zé)峁珗@的40kW旅客電動運(yùn)輸車以及德國瓦姆富爾（Wampfler）公司的載人電動列車，其總?cè)萘繛?50kW，氣隙為120mm[52]。

此外，還有美國通用汽車公司（GM）推出的EV1型電動汽車感應(yīng)充電系統(tǒng)、電車感應(yīng)充電器Magne-chargeTM，Magne-chargeTM的工作頻率可以在80～350kHz范圍變動，傳輸效率達(dá)99.5%。

2008年12月17日，無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium, WPC）成立，是首個(gè)以感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織[53]。2010年7月，WPC發(fā)布了Qi標(biāo)準(zhǔn)，同年9月Qi標(biāo)準(zhǔn)被引入中國，至2014年2月，WPC的成員已經(jīng)超過了200家企業(yè)或組織。2012年又成立了電源事項(xiàng)聯(lián)盟（Power MattersAlliance, PMA），也是以感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，2013年P(guān)MA制定出自己的無線充電標(biāo)準(zhǔn)[54]。

國內(nèi)關(guān)于感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)的研究文獻(xiàn)最早可查的是2001年，西安石油學(xué)院的李宏教授介紹了感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)[52]。此后，華南理工大學(xué)、重慶大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院電工所、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等陸續(xù)開展了大量研究[55-64]。

目前重慶大學(xué)孫躍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在感應(yīng)無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)方面，開展了大量的研究，并與新西蘭奧克蘭大學(xué)的Patrick Aiguo Hu進(jìn)行了深層次的學(xué)術(shù)交流與科技合作，取得了較好的成果。2011年10月在天津召開的國內(nèi)首次“無線電能傳輸技術(shù)”專題研討會[65]，參會的專家們討論了無線電能傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和存在的一些問題，并達(dá)成了“天津共識”，對無線電能傳輸技術(shù)在國內(nèi)的深入研究和繼續(xù)推廣具有重要的意義。

3.2 諧振無線電能傳輸技術(shù)

100多年前特斯拉提出的無線電能傳輸技術(shù)，可以說是諧振無線電能傳輸技術(shù)研究的開始，但特斯拉去世后，相當(dāng)長一段時(shí)間諧振無線電能傳輸技術(shù)被人遺忘，沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。而進(jìn)入21世紀(jì)，特斯拉利用諧振原理實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想再次被人關(guān)注。

2006年，麻省理工學(xué)院物理系Marin Soljacic教授找到了“抓住”發(fā)散電磁波的方法，利用物理學(xué)的磁諧振原理，讓電磁波發(fā)射器與接收器同頻諧振，使它們之間可以進(jìn)行能量互換。他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)行的無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)表明，兩個(gè)相同設(shè)計(jì)的銅線圈（線圈直徑60cm；線徑6mm），在同頻諧振情況下，可以將距離7ft（大約2m）的60W燈泡點(diǎn)亮，且整個(gè)系統(tǒng)的效率達(dá)40%左右，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示[66]。

Marin Soljacic教授的研究實(shí)證了特斯拉磁諧振無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想，是無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑意義的突破。2007年該成果被刊登在《Science》雜志上，掀起了國際上無線電能傳輸技術(shù)研究的熱潮，開始了諧振無線電能傳輸技術(shù)研究的激烈角逐。

2008年8月，Intel公司在英特爾開發(fā)者論壇上，

圖5 MIT磁諧振無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)

展示了與麻省理工學(xué)院類似的磁諧振無線電能傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)了在1m距離傳輸60W電能的同時(shí)，還保持了75%的效率，是磁諧振無線電能傳輸技術(shù)的又一進(jìn)步[44]。2009年，日本東京大學(xué)的Yoichi Hori教授利用15.9MHz的諧振頻率，對電動汽車進(jìn)行磁諧振無線充電，傳輸距離為200mm，傳輸功率為100W，效率達(dá)到97%左右[67]；同年，馬里蘭大學(xué)的Sedwick首次提出了用超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)長距離磁諧振無線電能傳輸?shù)目尚行裕Υ诉M(jìn)行了詳細(xì)的理論分析[68,69]。

2010年，Marin Soljacic教授團(tuán)隊(duì)開展了另一項(xiàng)磁諧振無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，以6.5MHz的諧振頻率和超過30%的效率，實(shí)現(xiàn)了2.7m的無線電能傳輸[70]。2011年，有學(xué)者在0.3m的距離內(nèi)，以3.7MHz的頻率實(shí)現(xiàn)了功率220W、效率95%的磁諧振無線電能傳輸[71]；同年，韓國學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩個(gè)超導(dǎo)線圈間的磁諧振無線電能傳輸機(jī)理[72]，并在2013年又實(shí)現(xiàn)了4個(gè)線圈的超導(dǎo)磁諧振無線電能傳輸，且僅在接收端采用了超導(dǎo)線圈[73]。

國內(nèi)學(xué)者也對此進(jìn)行了研究[74]，并申請了相關(guān)專利[75]。超材料應(yīng)用于磁諧振無線電能傳輸中的技術(shù)也因此被提出來，并在實(shí)驗(yàn)上取得了很好的成果[76-80]。國內(nèi)大型企業(yè)海爾公司“無尾電視”采用的也是MIT的磁諧振技術(shù)[81]，現(xiàn)在正積極推廣其“無尾廚電”。

2012年6月，三星公司發(fā)布了采用磁諧振技術(shù)無線充電手機(jī)Galaxy S III，是磁諧振無線電能傳輸技術(shù)在商業(yè)上的首次成功應(yīng)用；同年，以諧振無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線充電聯(lián)盟（Alliance forWireless Power, A4WP）也成立起來[82]，并于2013年推出了Rezence無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

與磁諧振無線電能傳輸技術(shù)一樣，基于電場諧振的無線電能傳輸技術(shù)也得到了關(guān)注[83-85]，但目前相關(guān)成果并不多，有代表性的是2008年美國內(nèi)華達(dá)州雷電實(shí)驗(yàn)室，研制成功了基于電場諧振的無線電能傳輸裝置，將775W的功率傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離，效率達(dá)到22%[86]，電場耦合無線電能傳輸裝置如圖6所示。

由于電場對環(huán)境的影響和要求不同于磁場，電場諧振無線電能傳輸技術(shù)只能在一些特殊的場合應(yīng)用，局限性較大，因此目前被廣泛研究的主要是磁諧振無線電能傳輸技術(shù)。

國內(nèi)對諧振無線電能傳輸技術(shù)的研究始于2007年，華南理工大學(xué)張波教授團(tuán)隊(duì)采用與Marin Soljacic教授團(tuán)隊(duì)的耦合模理論不同的電路分析方法，建立磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的電路模型[87]，并提出了頻率跟蹤控制的方法。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授采用直徑為50cm的諧振線圈，實(shí)現(xiàn)了310kHz諧振頻率、1m距離、50W功率的傳輸[88,89]。天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授的團(tuán)隊(duì)對從幾十kHz到13.56MHz的磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究[90,91]。東南大學(xué)黃學(xué)良教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)采用頻率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了距離0.9m、60%的穩(wěn)定傳輸效率，傳輸功率大約幾十W[92]。

重慶大學(xué)孫躍教授的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的磁諧振無線電能傳輸樣機(jī)，諧振頻率為7.7MHz、傳輸距離為0.8m、傳輸功率為60W、傳輸效率為52%[93]。清華大學(xué)的趙爭鳴教授系統(tǒng)地梳理了磁諧振無線輸電技術(shù)存在的問題并指出了未來的一些發(fā)展方向[94]，目前磁諧振無線電能傳輸技術(shù)在國內(nèi)呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭。

圖6 電場耦合無線電能傳輸裝置

3.3 微波無線電能傳輸技術(shù)

微波無線電能傳輸技術(shù)始于20世紀(jì)30年代初，Brown在西屋實(shí)驗(yàn)室利用一對100MHz的偶極子，在相距25ft（約7.62m）的地方傳輸了大約幾百W的功率[95]。20世紀(jì)50年代末，Goubau和Schwering進(jìn)行微波無線電能傳輸?shù)膰L試，首先從理論上推算自由空間波束導(dǎo)波可達(dá)到接近100%的傳輸效率，并在反射波束導(dǎo)波系統(tǒng)上得到驗(yàn)證[96]。

20世紀(jì)六七十年代國際上掀起了微波無線電能傳輸技術(shù)研究的高潮。1964年，雷聲公司的Brown成功地進(jìn)行了高空直升機(jī)平臺的微波供電實(shí)驗(yàn)。1968年，美國Glaser提出了太陽能發(fā)電衛(wèi)星的概念，利用微波將能量無線地傳回到地面接收裝置，并將其轉(zhuǎn)換成電能[97]。

1975年，Brown進(jìn)一步將微波能量束傳播到1mile遠(yuǎn)的接收站上，獲得30kW的直流功率[95]；同年，加州理工學(xué)院噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)被稱為“Goldstone”的實(shí)驗(yàn)，在野外使用工作頻率為2.388GHz的微波，實(shí)現(xiàn)了1.54km的無線電能傳輸[98]，但整體效率只有6.7%（發(fā)射端到接收整流端）。

1980年，加拿大通信研究中心研制了第一個(gè)由微波供電高空永久平臺，該平臺高度為21km[99]。1983年，日本采用探測火箭在太空進(jìn)行了首次微波電能傳輸實(shí)驗(yàn)，并取得成功，該實(shí)驗(yàn)名為“MicrowaveIonosphere Nonlinear Interaction eXperiment（MINIX）”[100,101]。1992年，另一項(xiàng)名為“MIcrowaveLifted Airplane eXperiment（MILAX）”的實(shí)驗(yàn)也在日本完成，這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次采用電子掃描相控陣，以2.411GHz的微波束對準(zhǔn)移動目標(biāo)供電[102]。

2001年，法國國家科學(xué)研究中心的Pignolet利用微波無線電能傳輸點(diǎn)亮了40m外的一個(gè)200W燈泡，2003年他又在留尼汪島上建造了10kW實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線供電實(shí)驗(yàn)[103]。

2008年，Mankins和德州農(nóng)工大學(xué)、日本神戶大學(xué)的學(xué)者進(jìn)行了微波能量從毛伊島傳輸?shù)较耐膷u的實(shí)驗(yàn)，傳輸距離超過148km[104]，創(chuàng)造了微波電能傳輸距離的最高記錄，但沒有突破微波無線電能傳輸?shù)男实陀?0%的限制[105]。

2015年3月，日本先后兩次成功進(jìn)行了微波無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，3月11日日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)將1.8kW的電力精準(zhǔn)地傳輸?shù)?5m距離外的一個(gè)接收裝置，3月12日日本三菱重工將10kW的電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中的部分電能成功點(diǎn)亮了500m外接收裝置上的LED燈，該公司計(jì)劃在2030～2040年運(yùn)用該技術(shù)，將太空的發(fā)電裝置所獲得的電能通過微波向地面?zhèn)鬏敗?/span>

國內(nèi)對微波無線電能傳輸技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代[106]，林為干院士首次在國內(nèi)介紹了微波無線電能傳輸技術(shù)。1998年，上海大學(xué)開始對微波能量無線傳輸進(jìn)行研究，并應(yīng)用于管道探測微機(jī)器人的微波供電[107]。

2006年7月，中國航天科技集團(tuán)公司組織進(jìn)行了“空間太陽能電站發(fā)展必要性及概念研究”的研討。2008年，國防科工局啟動“我國空間太陽能電站概念和發(fā)展思路研究”項(xiàng)目的研究工作。2010年，由中國空間技術(shù)研究院王希季、閔桂榮等七位院士牽頭開展了中國科學(xué)院學(xué)部咨詢評議項(xiàng)目——空間太陽能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對策研究。

2010年，中國空間技術(shù)研究院組織召開首次“全國空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)研討會”，多位院士和近百位專家參加。2013年，國際宇航大會在北京召開，中國專家應(yīng)邀做了“21世紀(jì)人類的能源革命——空間太陽能發(fā)電”的空間發(fā)電分會主旨發(fā)言，葛昌純院士作為特邀專家代表中國參加空間太陽能發(fā)電論壇。2014年5月，“空間太陽能電站發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”香山科學(xué)會議召開，多個(gè)領(lǐng)域的專家研討了發(fā)展空間太陽能電站的重大科學(xué)問題和發(fā)展建議[108]。

目前國內(nèi)開展相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)包括中國航天科技集團(tuán)公司、中國工程物理研究院、西安電子科技大學(xué)、重慶大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)和中科院長春光機(jī)所等單位，在關(guān)鍵技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，主要包括：解決多個(gè)微波源的高效功率合成和高效微波整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)km距離上微波能量傳輸接收試驗(yàn)；完成40m2的展開式柔性太陽電池陣原理驗(yàn)證；建立地面太陽光泵浦激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)30W的激光輸出，并開展了100m距離的能量傳輸試驗(yàn)等[108]。

4 感應(yīng)與諧振無線電能傳輸技術(shù)的比較

4.1 原理不同

感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)是基于變壓器原理，依靠發(fā)射線圈與接收線圈的磁場耦合來傳遞能量，發(fā)射線圈與接收線圈間的磁場耦合程度決定了無線電能傳輸系統(tǒng)的性能。為了保證無線電能傳輸?shù)墓β屎托剩仨毷沟民詈舷禂?shù)或互感系數(shù)較大，由此限制了它的傳輸距離，還要求發(fā)射線圈和接收線圈必須處于同軸，且兩者之間不能有障礙物。

諧振無線電能傳輸技術(shù)雖然也是依靠磁場傳遞能量，但與感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)原理不同，采用的是能量耦合原理。由于能量的大小不僅取決于磁場大小，還取決于磁場的變化率、頻率以及其他電參數(shù)，能量耦合系數(shù)是諧振頻率、互感系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等的函數(shù)，因此諧振無線電能傳輸技術(shù)較感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)復(fù)雜。當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈工作于諧振狀態(tài)時(shí)，可不受空間位置和障礙物的影響，實(shí)現(xiàn)中距離無線電能傳輸。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成的異同

感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)無鐵心的分離式變壓器（或稱為松耦合變壓器），發(fā)射線圈相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)，接收線圈相當(dāng)于變壓器的二次側(cè)，感應(yīng)無線電能傳輸核心結(jié)構(gòu)如圖7所示。發(fā)射線圈由高頻交流電源供電，產(chǎn)生磁場耦合到接收線圈，從而將電能傳輸?shù)浇邮站€圈的負(fù)載上，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。為提高電能傳輸能力，一般發(fā)射線圈和接收線圈都附加無功補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行無功補(bǔ)償。

圖7 感應(yīng)無線電能傳輸核心結(jié)構(gòu)

諧振無線電能傳輸系統(tǒng)有兩線圈和四線圈結(jié)構(gòu)。較低諧振頻率時(shí)采用兩線圈結(jié)構(gòu)，如圖8a所示。發(fā)射線圈與電容串聯(lián)構(gòu)成發(fā)射端，由高頻交流電源供電；接收線圈與電容串聯(lián)構(gòu)成接收端，與負(fù)載相連。工作時(shí)，發(fā)射線圈電感、接收線圈電感與各自串聯(lián)的電容發(fā)生同頻串聯(lián)諧振，電磁能量在發(fā)射線圈與接收線圈之間交換，一部分供給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。較高諧振頻率（MHz）時(shí)采用四線圈結(jié)構(gòu)，如圖8b所示。

發(fā)射端由一個(gè)阻抗匹配線圈和一個(gè)開口發(fā)射線圈組成，高頻交流電源連接到阻抗匹配線圈，阻抗匹配線圈產(chǎn)生的磁場在開口發(fā)射線圈中感應(yīng)電動勢，在高頻感應(yīng)電動勢的作用下開口線圈電感與其寄生電容發(fā)生串聯(lián)諧振；接收端由一個(gè)開口接收線圈和一個(gè)負(fù)載阻抗匹配線圈組成，開口發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場耦合到開口接收線圈并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在此感應(yīng)電動勢的作用下開口接收線圈電感與其寄生電容發(fā)生串聯(lián)諧振，電磁能量在開口發(fā)射線圈和開口接收線圈之間交換，一部分通過負(fù)載阻抗匹配線圈供給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。

圖8 諧振無線電能傳輸系統(tǒng)

4.3 分析方法的異同

感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈一般采用變壓器模型來分析，參數(shù)關(guān)系與變壓器相同，較為簡單。LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為無功補(bǔ)償電路，根據(jù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中的連接方式有四種分析模型：發(fā)射和接收線圈均串聯(lián)（SS）型補(bǔ)償模型；發(fā)射和接收線圈均并聯(lián)（PP）型補(bǔ)償模型；發(fā)射和接收線圈串-并聯(lián)（SP）型補(bǔ)償模型；發(fā)射和接收線圈并-串聯(lián)（PS）型補(bǔ)償模型。綜合建立LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈及接收線圈模型，就可以分析和設(shè)計(jì)感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)。

諧振無線電能傳輸系統(tǒng)一般采用耦合模理論分析，建立發(fā)射線圈與接收線圈間的能量耦合模型，其優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰、計(jì)算簡單，能夠直觀地反映發(fā)射線圈與接收線圈能量交換的過程，但是一種近似的建模方法，且對于較復(fù)雜的諧振無線電能傳輸系統(tǒng)如多負(fù)載、多電源系統(tǒng)，參數(shù)確定有一定難度。

因而，在較低諧振頻率運(yùn)行時(shí)，通常也會采用變壓器模型來分析諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的特性，并對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)[87,109,110]。此外，考慮分布參數(shù)的影響，采用傳輸線理論的諧振無線電能傳輸系統(tǒng)建模分析方法也被提出。

4.4 運(yùn)行條件的差異

1）電源頻率。感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈的固有頻率與電源頻率無關(guān)，只是為了減小系統(tǒng)的無功功率，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電容的選取才考慮電源頻率；而諧振無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)射線圈和接收線圈的固有諧振頻率與電源頻率密切相關(guān)，必須完全相同。

2）傳輸距離。感應(yīng)無線電能傳輸與諧振無線電能傳輸都是在電磁場的近場范圍，如圖9所示。但感應(yīng)無線電能傳輸?shù)木嚯x與近場范圍大小無關(guān)，其只能工作在cm級的近距離范圍；而諧振無線電能傳輸則能工作在整個(gè)近場范圍，近場距離為c/(2?f)（c為光速，f為諧振頻率），諧振頻率高、近場范圍小、傳輸距離近，諧振頻率低、近場范圍大、傳輸距離遠(yuǎn)，例如麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的諧振無線電能傳輸裝置，諧振頻率為10MHz，近場范圍為4.778m，即該諧振無線電能傳輸裝置最大傳輸?shù)木嚯x在4.778m以內(nèi)。因此，諧振無線電能傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感應(yīng)無線電能傳輸?shù)木嚯x，且可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)電能傳輸范圍。

3）負(fù)載能力。感應(yīng)無線電能傳輸系統(tǒng)一般只能一對一的供電，即一個(gè)發(fā)射線圈對應(yīng)一個(gè)接收線圈，而諧振無線電能傳輸系統(tǒng)利用近場為儲能場的性質(zhì)，通過發(fā)射線圈與接收線圈的同頻諧振，一個(gè)發(fā)射線圈可以給多個(gè)接收線圈供電，且不受一般非諧振外物的影響[111]，適用面更廣。

圖9 近場范圍波阻與距發(fā)射源的距離關(guān)系圖

綜上所述可見，感應(yīng)和諧振無線電能傳輸是兩種不同的電能傳輸方式，由于以往對電磁耦合即為能量耦合認(rèn)識上的局限性[112]，導(dǎo)致認(rèn)為它們的原理完全相同，造成科學(xué)研究者和工程技術(shù)人員對兩者概念的混淆，在一定程度上阻礙了諧振無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展。

5 無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景

1）可移動機(jī)電設(shè)備的無線供電。可移動機(jī)電設(shè)備如電力機(jī)車、城市電車、工礦用車等，其傳統(tǒng)的供電方式一般為滑動摩擦式與電源連接，存在滑動磨損、接觸火花、炭積和不安全裸露導(dǎo)體等弊端。應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)，可以使其安全地工作在各種危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下，并提高運(yùn)行性能。

2）電動汽車無線充電。電動汽車電池的充電方式是阻礙其快速發(fā)展的重要原因之一，采用現(xiàn)有的有線方式充電，充電樁占地面積大，且用戶使用不方便。采用無線電能傳輸方式可以便捷地將無線充電裝置的發(fā)射線圈埋入停車場地下，接收線圈安裝在電動汽車上，用戶停車即可起動充電，充電過程簡單、安全、靈活、高效，無需占地建設(shè)專門的充電站，且能夠有效地抑制可再生能源的輸出及波動，與電網(wǎng)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的互動，通過智能互動系統(tǒng)的連接可以自動控制電動汽車合理地進(jìn)行充放電，有效提高可再生能源的消納能力，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

此外，還可以對電動汽車進(jìn)行動態(tài)無線充電，即鋪設(shè)一段充電道路，沿線安裝一系列發(fā)射線圈，裝有接收線圈的電動汽車運(yùn)行到該路段就可動態(tài)充電，從而降低對電池容量的需求，大大減少電動汽車充電電池容量，降低整車重量和成本，并節(jié)省充電時(shí)間。

3）機(jī)器人無線供電。現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)中，大部分運(yùn)動機(jī)械的驅(qū)動器都設(shè)置在控制柜中或盡可能靠近控制中心，驅(qū)動器的輸出通過電纜從控制中心連接到各個(gè)運(yùn)動機(jī)械的控制電機(jī)上。為了防止碰斷電纜，機(jī)器人手臂的運(yùn)動必然受到限制，且由于機(jī)器人重復(fù)運(yùn)動，電纜連接點(diǎn)易受到損壞，可靠性、安全性降低。無線電能傳輸技術(shù)則能使驅(qū)動器的輸出通過無線方式傳遞到控制電機(jī)，從而避免電纜的存在導(dǎo)致機(jī)器的運(yùn)動受限以及由于電纜磨損所帶來的操作失誤等缺點(diǎn)。

4）水下設(shè)備無線供電。在水下作業(yè)中，許多水下設(shè)備需要提供電能。若直接由電纜供電，則存在不易安裝、電纜金屬接頭易受海水腐蝕、設(shè)備工作區(qū)域受限、不靈活、供電效率低等困難和缺點(diǎn)，而采用無線電能傳輸技術(shù)對水下設(shè)備如深海潛水裝置和海底鉆井等供電，則可較好地克服這些問題。

5）植入式醫(yī)療設(shè)備無線供電。醫(yī)學(xué)上越來越多采用電子設(shè)備來彌補(bǔ)人體器官的缺陷，典型的設(shè)備如心臟起搏器、全人工心臟、人工耳蝸等。然而這些電子設(shè)備的共同缺點(diǎn)，就是需要電池供電，當(dāng)需要更換電池時(shí)，病人將承受手術(shù)的痛苦和危險(xiǎn)。即使采用充電電池供電，也需要穿透皮膚（導(dǎo)線穿過皮膚）用體外電源對電池進(jìn)行充電，病人同樣承受較大的痛苦。

而無線電能傳輸技術(shù)既可以避免導(dǎo)線與人體皮膚直接接觸，防止由于感染而出現(xiàn)并發(fā)癥，又可以避免植入式電池的電能耗盡之后需要進(jìn)行手術(shù)來更換的問題，消除了由于手術(shù)造成的二次傷害，實(shí)現(xiàn)對植入人體的電子設(shè)備進(jìn)行無痛苦、安全可靠的充電。

6）無線充電器。手提式計(jì)算機(jī)、手機(jī)、掌上電腦、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、無線鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機(jī)等各種便攜式電子產(chǎn)品成為人們生活的必需品，但它們最大的缺點(diǎn)是需要使用不同的接口和充電器。而采用無線電能傳輸技術(shù)的無線充電器，可以將發(fā)射線圈置入一個(gè)外形猶如電磁爐的臺面中，充電時(shí)只需將電子產(chǎn)品放在該臺面上便能進(jìn)行充電，從而適用于各種電子產(chǎn)品的充電。隨著無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，未來各種便攜式電子產(chǎn)品，有可能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的充電，像無線網(wǎng)絡(luò)WiFi一樣。

7）家用電器的無線供電。隨著智能化技術(shù)的日益發(fā)展和進(jìn)步，智能家居越來越受到人們的廣泛關(guān)注，而對于智能家居中的家用電器來說，采用無線電能傳輸技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，該技術(shù)可以改變白色家電、黑色家電如洗衣機(jī)、部分廚房電器、空調(diào)、電冰箱、彩電、音響等的供電方式，使得家電的安置更加靈活，使用更加方便，徹底擺脫傳統(tǒng)的充電線纜對電器互聯(lián)的限制和束縛，體現(xiàn)出更大的便捷化和人性化。

6 結(jié)論

無線電能傳輸技術(shù)消除了傳統(tǒng)導(dǎo)線供電方式的固有缺陷，不存在導(dǎo)線裸露、磨損和接觸電火花等安全問題，極大地提高了供電的安全、可靠和靈活性。在移動設(shè)備、電動汽車、機(jī)器人、水下設(shè)備、植入式醫(yī)療設(shè)備、充電器和家用電器等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

雖然無線電能傳輸作為一門新興的技術(shù)，其研究和應(yīng)用還處于發(fā)展時(shí)期，不夠成熟，但是通過國內(nèi)外專家學(xué)者們的不斷努力和突破，該技術(shù)必將走向工程化和產(chǎn)業(yè)化，從而提高人類的生活質(zhì)量，節(jié)約能源，提高電能的有效利用率。