无线电能传输技术综述

 

作者介绍

 

陈武，教授，博士生导师，IET Fellow，东南大学先进电能变换技术与装备研究所所长。长期从事大功率电力电子变换及其应用领域的研究工作。主持国家自然科学基金3项、国家重点研发计划课题1项。研究成果发表SCI/EI论文100余篇，出版专著5部。本文新出版的电力电子综述和科普专著《循迹电力电子》一书内容。

 

无线电能传输技术综述

 

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）又称为无线电力传输、非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能。相比有线的电能传输，WPT其具有更好的便捷性、灵活性、环境适应性以及显著降低的触电危险，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一，已经成为当前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一。根据原理的不同，WPT技术主要分为磁耦合式、电场耦合式、电磁辐射式、超声波式、激光传能等五种不同方式。其中，磁耦合无线电能传输技术发展最为成熟，并在消费电子、植入式医疗设备等领域获得了大规模的商业应用。这里主要简要回顾磁耦合无线电能传输技术的发展历程。

 

磁耦合无线电能传输技术可细分为感应式无线电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）和磁耦合谐振无线电能传输技术（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transmission, MCR-WPT）两类。

 

1891年，著名发明家、电机工程师、机械工程师特斯拉在其专利“System of electric lighting，US0454622”中提出了无线电能传输的设想，其实验装置的如图1所示，由交流电压源G、变压器P-S、电容器C、电火花间隙开关a、变压器P’-S’组成。G的频率为5kHz，与第一个变压器的原边线圈P相连，经过变压器升压后在副边线圈S上产生高压，电容C与S并联，因此电容C上也产生高电压，高电压击穿a点处的空气隙，此时电容与第二级变压器的原边线圈P’形成回路，产生高频振荡，并且在副边S’上感应出高频交流高压，该电压与灯泡以及对地电容后形成放电回路，用以点亮灯泡。

 

图1.特斯拉于1891年提出的无线电能传输系统原理图

 

1901年，特斯拉在在美国长岛建成了著名的特斯拉塔，也叫沃登克里弗塔（ Wardenclyffe Tower ），如图2 (a)所示，试图实现数十英里的远距离无线电能传输，并提出了一个大胆的构想：把地球作为导体，在地球与电离层之间建立起低频共振（特斯拉在实验中发现地球的共振频率接近8Hz，1952年德国科学家舒曼在研究地球及其电离层的系统时也发现这个共振频率，后来称之为舒曼共振），利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力，实现全球无线电能传输，如图2 (b)所示。虽然这些实验和构想由于资金等原因最终没有实现，但是后世科学家已经证实了该思路的可行性。

 

(a) 沃登克里弗塔

图2.特斯拉建造的沃登克里弗塔及其全球无线电能传输设想

 

1894年，M. Hutin和M. Leblanc也获授权一项轨道交通无线充电系统的美国专利“Transformer system for electric railway，US0527857”，提出了牵引电车感应供电技术，是现代电动交通工具动态无线充电技术的雏形，其原理如图3所示。图中，发射端导线E由单根铜电缆构成，放置于管道中，并埋在路面上的沥青中，接收线圈G的绕组缠绕在铁心上，安装在电车底部，与电容串联后连接至牵引电机上，接收端首次采用了串联电容的补偿方式。

 

(a) 主视图

(b) 侧视图

图3.Hutin和Leblanc提出的轨道交通无线充电系统原理图

 

在1960年，B. K. Kusserow将感应供电方式应用于植入式血泵中，开启了无线电能传输技术在植入式医疗设备供电中的应用研究。随后不久，J. C. Schuder等在哥伦比亚密苏里大学进行了名为“经皮层能量传输”的研究项目。

 

1980年代末开始，奥克兰大学J. T. Boys教授领导的研究团队对IPT技术进行了系统性的研究，在基本原理、系统频率分析和稳定策略、功率控制策略、不同补偿电路系统特性分析、能量与信号同步传输、系统稳定性等方面都进行了深入的研究，对IPT技术进步作出了重要贡献。

 

J. T. Boys教授于1991年申请美国专利“Inductive power distribution system，US5293308”，首次系统地提出了感应式无线电能传输系统的结构与参数设计方法，如图4所示。三相交流电经过整流后得到直流电压，经过Buck变换器后，通过自激推挽式逆变电路驱动发射导轨与原边线圈电容进行谐振并输出高频正弦波电压，该电压驱动发射导轨。接收端安装在车端，采用并联补偿方式，并采用E形磁芯进行聚磁，接收线圈输出经整流和开关模式控制给负载供电。不过受限于效率和成本等因素，J. T. Boys教授研究的感应耦合式无线电能传输技术的有效距离一般在数十厘米以内。

 

(a) 导轨侧发射端

(b) 车载接收端

图4.Boys教授提出的一种感应式无线电能传输方案

 

2007年，美国麻省理工学院 Marin Soljacic教授团队在中距离无线电能传输领域取得突破，该团队设计的实验装置如图5 所示，由两个铜导线构成的线圈组成，线圈直径60cm，线径6mm，两个线圈具有相同的自谐振频率。发射线圈连接在高频交流电源，接收线圈连接到一个60W的灯泡，距离2m可“隔空”点亮灯泡，电能转换效率为40%，而距离为1m时效率高达90％左右。Marin Soljacic将该技术命名为“Witricity”(Wireless elecTricity)无线供电技术，也叫磁耦合谐振技术，即MCR-WPT，并用耦合模理论建立模态方程得到了系统的能量传输特性，成果发表以“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”在2007年《Science》杂志上发表。该项研究发表后，在国际上掀起了无线电能传输技术研究的热潮，各国学者纷纷加入了磁耦合无线电能传输技术研究队伍中，加快了无线电能传输时代的到来。

 

图5.Marin Soljacic教授团队的MCR-WPT无线电能传输实验装置

 

需要指出的是，在MIT提出MCR-WPT技术后，很多研究人员起初认为IPT和MCR-WPT的能量传输机理不同。2009年，华南理工大学张波教授在中国电机工程学报撰文指出，MCR-WPT技术是IPT技术在驱动频率等于磁耦合机构的固有谐振频率时的一种特例，此时其线圈回路阻抗达到最小值，因而有利于能量的高效传输。东南大学的黄学良教授分析对比了共振式WPT系统的两种分析方法，即基于耦合模理论和基于电磁感应原理的电路互感模型，确认了两者的等效性。由此，学术界逐步形成了MCR-WPT与IPT在磁场耦合本质上相同的观点，不再刻意区分两者的不同。

 

无论是感应还是谐振式无线电能传输技术，其基本电路结构均可用图6表示，高频逆变电路将直流电变为高频交流电，经过发射端补偿后，通过磁耦合机构传输至接收端，接收端经过补偿与整流后，供给直流负载。

图6.磁耦合无线电能传输系统的基本电路结构

 

 

 

产业化应用案例

 

 

 

自Qi协议推出后，无线充电技术在消费电子领域迎来了指数性增长。第一款搭载Qi无线充电标准的手机是Sharp SH-13C，于2011年8月上市。随后，华为、苹果、三星等公司陆续将满足Qi协议的无线充电方案应用于手机、智能手环、无线耳机、平板电脑等。

 

海尔集团联合重庆大学孙跃教授团队研发的“无尾电视”在2010年国际消费电子展上推出，首次将磁耦合谐振技术、信号无线传输、网络无线连接3种技术进行融合，可在距离1m的范围内将100W功率无线传输至电视接收终端。目前，海尔集团研发部已经开始将无线电能技术应用于各类家电产品中，进行产品的成套化和系列化开发，形成海尔集团的“无尾之家”整体解决方案。

 

在交通领域，1997年，德国Wampfler公司(现IPT Technology)与新西兰奥克兰大学合作，采用IPT技术研制了定轨观光车，传输功率达到20kW。此后，Wampfler公司又逐步研发出应用于观光电梯、车间运输车辆的IPTRail技术，并在同一时期试验了长约400m的150kW载人轨道车，设计运行时速37.8km/h。

 

2007年，MIT马林·索尔贾希克教授于创立WiTricity公司，致力于跑车、轿车、SUV等不同类型电车的无线充电解决方案，已研制出3.7kW、7.7kW和11kW无线充电系统，充电距离在9~28cm，充电效率在92~94%，其中线圈效率达到98%，配有停车位置错位补偿功能，集成了异物与活体检测(FOD、LOD)功能、支持WiFi无线通信，同时支持V2G功能，可与电网高效双向互动。2018年，宝马推出搭载WiTricity技术的530e iPerformance车型。目前，WiTricity已与十几家汽车巨头联合开展研发项目，包括奥迪、特斯拉、三菱等。

 

从2009年起，韩国高等科学技术研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)启动了在线电动汽车(On-Line Electric Vehicles，OLEVs)项目，在高频逆变器、低电磁辐射特性、系统动态响应分析、磁耦合机构等方面取得了大量成果，至今已经开发了五代OLEVs系统，在韩国首尔、大田、丽水、龟尾等地进行了测试和商业化运行。

 

2010年11月，奥克兰大学创办的Halo IPT公司研发感应式电能传输技术，2012年10月被美国高通公司整体收购，在2015年4月22日的FormulaE电动方程式锦标赛上，高通展示了自己研发的Halo无线汽车充电技术，2016年Halo IPT已经具备了半动态充电的能力，可在最高30mph的速度下进行无线电能传输。2019年2月，WiTricity公司收购了Halo关于无线充电技术相关的知识产权，继续推进该技术的商业化进程。

 

2018年，美国Momentum Dynamics公司推出了200kW动态无线充电器，该系统由4个并联的充电线圈构成，每个提供50kW，安装在比亚迪K9S上，利用停车间隙进行充电，每小时充电7-10分钟，可使电池电量保持在75%左右。此外，Momentum Dynamics还为雪佛兰等车企开发的3.3kW、7.2kW和10kW等不同功率等级的无线充电系统。

 

在国内，西南交通大学团队在中国工程院钱清泉院士的指导下，从2010年开始在国内率先提出并开展了轨道交通大功率动态无线供电技术的创新研究，致力于大功率无线供电技术在磁悬浮交通、港口AGV、特殊场景需求等领域的应用研究。2013年10月，西南交通大学团队成功研制国内首台40kW动态无线供电轨道原理样车。

 

2014年9月18日，由中兴通讯股份有限公司、东风汽车公司联手打造的新能源汽车大功率无线充电公交商用示范线在湖北襄阳正式启动并投入运营，是国内首条无线充电商用示范线，该系统由南京航空航天大学陈乾宏教授负责研发，由两个30kW无线充电设备串联所构成，新能源公交车在改造过的停车位停靠后就可以进行充电。

 

2016年，重庆大学与南方电网合作建设完成国内第一条动态无线供电系统示范线路。线路长100m，最大输出功率为30kW，效率为75%~90%。

 

2017年，哈尔滨工业大学与国家电网公司合作建设张家口张北县电动客车180m动态无线充电实验线。该系统采用2.4米分段式的发射导轨级联方式，由4段发射导轨为一组，每组由一套电源进行独立充电。该试验线路电能传输距离为20厘米，最大偏移距离40厘米，在实验车辆运行速度为40km/h的情况下能够实现20kW的功率，总效率高于85%。

 

2018年10月，由东南大学黄学良教授团队、重庆大学孙跃教授共同设计建设的世界首条“三合一”电子公路在“一带一路”能源部长会议和国际能源变革论坛上精彩亮相，首创了电动汽车无线充电、道路光伏发电、无人驾驶三项技术的融合应用，实现了电力流、交通流、信息流的智慧交融，被誉为“不停电的智慧公路”，充电功率11kW，最高效率90%，充分展示了中国在新能源领域的科技实力，如图7所示。

 

图7.东南大学、重庆大学联合研制的11kW电动汽车动态无线充电系统

 

2021年，孙跃教授团队建成了60kW电动汽车动态无线充电系统示范工程，该工程是当时国内功率等级最高的电动汽车移动式无线充电工程。建设充电道路总长53米，最高效率达到86%，车辆内部空间辐射小于5 μT，远小于国家标准27 μT。

 

2023年1月7日，西南交通大学何正友教授研究团队研制的新型无线供电制式城轨车辆在中车唐山厂成功下线，在国内首次实现了城轨车辆供电制式由“有线”到“无线”的突破。

 

在电动船舶领域，已经商用化的无线充电系统较少。一方面，船舶对充电功率较大，达到MW级以上；另一方面，在充电操作期间，由于船舶的风、波浪和吃水的联合作用，以及响应于装载和卸载引起的倾斜和吃水的变化，岸边的船舶会持续发生不规则的移动，给平稳可靠的充电带来挑战。2017年8月，芬兰的瓦锡兰（Wärtsilä）公司与瑞士凯伏特（Cavotec）公司联合开发了一套大功率船舶无线充电与系泊一体化系统，并在混合动力的渡轮“MF Folgefonn”号完成了测试。该系统的岸基无线发射端可在船舶靠岸时与船体无线接收端吸合，既起到无线充电的功能，也起到系泊的作用。系统母线电压1000V，充电功率1MW以上，充电距离高达50厘米，充电效率97%。这是全球首艘采用高压大功率无线充电的商用电气渡轮，如图8所示。

 

图8.全球首款电动船舶高压无线充电系统