无线电能传输技术研究与应用综述

2013 年 10 月 电 工 技 术 学 报 Vol.28 No. 10 第 28 卷第 10 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2013 无线电能传输技术研究与应用综述 黄学良 谭林林 陈 中 强 浩 周亚龙 王 维 曹伟杰 （东南大学电气工程学院 南京 210096） 摘要 随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，尤其在一些特定场 合，无线电能传输技术具有传统电缆线供电方式所不及的独特优势，可以极大地提高设备供电的 可靠性、便捷性和安全性。本文在讲述无线电能传输技术发展历史的基础上，阐述了现有几种无 线电能传输技术的实现方式及优缺点，并针对目前无线电能传输技术领域的研究热点，重点论述 了磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究现状、分析方法及关键技术，最后针对谐振式无线电能 传输技术应用热点及发展前景进行了探讨与展望。 关键词：无线电能传输技术 磁谐振耦合 综述 中图分类号：TM133；TM72 Review and Research Progress on Wireless Power Transfer Technology Huang Xueliang Tan Linlin Chen Zhong Qiang Hao Zhou Yalong Wang Wei Cao Weijie （Southeast University Nanjing 210096 China） Abstract With the continuous development and progress of technology, the wireless power transfer(WPT) technology has attracted wide spread attention recently. Especially in some specific occasions, the WPT technology has its unique advantages, which do not exist in the tradition V-MODE based on the wired power supply, to greatly improve the reliability, convenience and safety of power supply. In this paper, the development and application of WPT technology is investigated. Firstly, several major means of WPT technology and their relative merits are elaborated based on the development of WPT history. Secondly, in view of the current hot focus of WPT technology, the WPT based magnetically coupled resonance is discussed in detail, including its current research, analysis methods and some key technologies. Finally, the application focus and development prospects of WPT technology are further investigated. Keywords：Wireless power transfer, magnetically coupled resonance, review 1 无线电能传输技术的发展历程  传统的电力输送采用有线的方式实现（即利用 电缆线作为传输媒介），因此在电力的传输过程中不 可避免的会产生传输损耗，同时线路老化、尖端放 电等因素也易导致电火花，大大降低了设备供电的 国家自然科学基金（51177011），国家高技术研究发展计划(863 计 划)（2012AA050210），教育部学术新人奖资助项目和江苏省普通 高校研究生科研创新计划（CXZZ11_0150）资助项目。 收稿日期 2013-04-20 改稿日期 2013-05-20 可靠性和安全性[1,2]，缩短设备的使用寿命。一方面 在矿场、海底等一些特殊场合，传统的电缆线供电 方式所产生这些缺点往往有时将是致命的，严重时 会引起爆炸、火灾及设备的损坏等，带来了极大的 安全隐患和经济损失，另一方面生活中大量的电器 供电势必会导致多种电源线的交叉给人们生活带来 的极大的不便。 人类从刚开始利用电能时就期待着一种能实现 将电力能量无线输送的方式。早在 19 世纪中后期， 无 线 电 能 传 输 技 术 （ Wireless Power Transfer Technology）就被著名的电气工程师尼古拉·特斯 2 电 工 技 术 学 报 2013 年 10月 拉提出[3]，并进行了相关的实验研究，受早期技术、 财力等因素的限制，该技术仅仅局限于构想阶段， 但同样为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好 的蓝图和奠定了一定的研究基础。随后伴随着电磁 波理论的发展，古博（Goubau）等人从理论上推算 了自由空间波束导波传输能量的可行性，并做了大 量的理论与实验研究。到 20 世纪初期，日本的 H. Yagi 等人发明了一种可用于无线电能传输的定 向天线（又称八木-宇田天线）[4]，可将能量以微波 的形式发送出去，在此基础上雷声公司（Raytheon） 的布朗（W.C.Brown）等人又做了大量的研究工作， 设计了一种效率高、架构简单的半导体二极管整流 天线，可将微波能量转换成直流电[5,6]，从此微波作 为无线电能传输的一种重要方式被广泛研究。到目 前为止，利用微波传输电能已经可以实现大功率、 远距离的功率输送[7-9]，与此同时激光作为一种新型 的无线能量传输方式也被用来实现大功率远距离的 能量传输[10,11]。 到 20 世纪 80 年代，以电磁感应耦合方式为主 的非接触能量传输技术开始被学者们关注，并逐渐 应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供 电中，以此为代表的有新西兰奥克兰大学波依斯 （Boys）教授为首的课题组。该课题组经过多年努 力在理论和实践上取得了很多重大突破[12,13]，实现 了国家地热公园载人游览车的无线供电试验系统。 随后美国汽车工程协会根据 Magne-chargeTM 系统的设计，制定了在美国使用非接触感应电 能传输技术进行电动汽车充电的统一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 —— SAEJ.1773[14,15]，但感应式无线电能传输技术对磁路 的设计要求比较苛刻，导致传输距离较低（多在厘 米范围内），导致该技术在大功率无线能量传输的应 用中具有很大的局限性。 2007 年麻省理工大学的物理学助理教授马 林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队 利用磁场的谐振方式，通过构建两个半径为 30cm 的发射和接收谐振器线圈，在 1.9 m 之外成功点亮 了 60W 的灯泡[16]，成功开辟了无线电能传输技术的 一个新方向，该方式不仅弥补了感应式非接触无线 电能传输技术传输距离短的缺陷，将传输距离提高 到米级范围，同时还极大地降低了能量传输对环境 的影响（具有较低的电磁辐射）。该技术的提出将无 线电能传输技术推到一个新的研究高度，无论感应 方式和磁耦合谐振方式都是基于磁场来实现能量的 传输，虽然磁耦合谐振式具有相对较低的电磁辐射 问题，但在一些对磁场环境要求更为严格的特定场 合，该两种方式都具有应用的局限性。因此近些年 不少学者也提出了多种其他方式的无线能量传输方 案，诸如基于超声波和电场的无线能量传输方式 等[17,18]，虽然能量传输功率方面有待提高，但在电磁 环境要求较高、功率要求不大的场合具明显的优势。 综上所述，迄今为止能实现能量无线传输的方 式主要有微波、激光、感应耦合、磁耦合谐振、电 场耦合方式等，可实现小功率到大功率，远距离到 近距离的不同应用场合、不同功率需求的能量传输， 见图 1所示。 图 1 无线电能传输技术主要实现方式 Fig.1 Main technologies of WPT 我国在无线电能传输技术领域的研究工作起步 较晚，从本世纪初开始，国内才逐渐开始进行相关 的研究，但主要集中在感应式非接触无线电能传输 技术和磁耦谐振式无线电能传输技术的研究上。中 国科学院电工研究所是国内较早开展非接触无线电 能传输技术研究的单位之一，取得了一定的研究成 果[19]。2002年，重庆大学也开始对非接触式电能传 输技术的基础理论及工程应用进行研究[20,21]，并成 功研制了一套电动汽车无接触供电系统。东南大学 自 2006 年在无线能量传输方面也进行相关的研究 工作，并提出了电场耦合的光电机技术，以及磁耦 合谐振式无线能量传输系统功率调频控制技术、电 动汽车无线充放电与电网互动技术等一系列关键技 术[22,23]。此外，哈尔滨工业大学、浙江大学、南京 航空航天大学等[24-26]高校和科研机构在基础理论和 应用研究也做了大量的工作。随着国内无线电能传 输技术研究的不断升温，2011 年 10 月在天津召开 了国内首次“无线电能传输技术”专题研讨会 [27]， 参会专家讨论了无线电能传输技术的新进展和存在 的一些问题，并达成了“天津共识”。该次会议为无 线电能技术在国内的研究与推广具有重要的意义。 在诸多的无线电能传输方式中，磁耦合谐振式 能量传输技术由于传输距离远、对传输介质依赖小、 第 28 卷第 10 期 黄学良等 无线电能传输技术研究与应用综述 3 方向性要求不高等优势[16,27]，是当前无线电能传输 技术研究领域中主要的研究热点。本文接下来的部 分主要围绕磁耦合谐振式无线电能传输技术进行详 细论述，介绍其传输机理和模型建立主要分析方法， 探讨磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究现状和 关键技术问题，并对该技术目前研究的热点领域及 发展趋势进行阐述。 2 磁耦合谐振式无线电能传输技术 2.1 传输机理与系统结构 磁耦合谐振式无线电能传输技术是利用共振的 原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得 发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同的谐 振频率，并在该谐振频率的电源驱动下系统可达到 一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接 收端高效的传递。磁耦合谐振式无线电能传输系统 主要由电源、能量转换与传输装置（线圈谐振器）， 能量接收装置三部分组成，系统的结构示意图如 图 1所示。 其中线圈谐振器是系统实现能量高效传输的关 键。线圈谐振器性能的优劣主要体现在能量转换能 力上，关键因素在是否具有高的品质因数[28,29] 。从 电路理论可知，线圈的品质因数与线圈的电感，内 图 2 磁耦合谐振式无线电能传输系统 Fig.2 Magnetically coupled resonant WPT system 阻抗以及工作频率紧紧相关（Q=ωL/R）。所以线圈 谐振器的设计也主要从以上三个方面着手，提高谐 振频率和自身电感以及减小自身内阻。为了实现高 品质因数线圈的设计，线圈谐振频率较高，高达几 十 MHz，但受高频杂散电容参数（线圈对地、线圈 匝间、线圈间）的影响，线圈的稳定性比较差。 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 MHz，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 3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的下降。 图 3 传输效率随频率的变化 Fig.3 Curve of transfer efficiency varied with frequency 为了提高能量传输稳定性和可控性，学者们提 出了一种折中的方法，用小的补偿电容[30-32]的方式 来代替谐振线圈的等效电容，虽然降低了线圈的自 谐振频率，却大大增加了系统的稳定性和可控性。 无论是利用自身参数进行谐振频率设计还是外 接小的补偿电容进行频率设计，目前在整个传输系 统的模型分析上，很少针对线圈分布式参数进行建 模，大多数是通过耦合模、互感（电路）和二端口 网络等理论利用集中参数进行建模[33-35]。 2.2 传输模型 2.2.1 耦合模理论 耦合模理论是一套微扰分析理论，可避开复杂 物理模型的分析，直接对物体间的能量耦合进行分 析。对于磁耦合谐振式无线能量传输系统来说，发 射线圈和接收线圈之间的耦合强度相对较弱，因此 耦合模理论在分析系统具有一定的适用性。根据耦 合模理论，磁耦合谐振式无线能量传输系统可理解 为发射线圈和接收线圈组成的耦合系统，当考虑电 源、线圈及负载损耗时，系统运动模式方程为[36] 4 电 工 技 术 学 报 2013 年 10月 1 1 1 12 2 1 1 2 2 2 21 1 2 L 2 d ( ) j ( ) j ( ) ( ) ( ) d d ( ) j ( ) j ( ) ( ) ( ) d a t a t K a t a t S t t a t a t K a t a t t                 （1） 式中，a1(t)、 a2(t)分别为发射线圈和接收线圈的模 式幅度分量；|a1(t)|2、 |a2(t)|2 分别表示两谐振线圈 所存储的能量；ω1、ω2为两线圈的谐振角频率，K12 和 K21 为耦合系数（与线圈的互感、自感、谐振频 率有关）；为线圈的损耗系数，S(t)为激励源。通过 式（1）可求解出系统的谐振频率、单个线圈的模式 分量、能量，进一步可求出传输效率、接收功率等。 通过式（1）不难看出，耦合模理论在分析系统 的能量流通与转换方面具有较强的优势，但该方法 对系统具体参数较少涉及，同时线圈的模式分量与 耦合系数等参数较难获得。 2.2.2 互感理论 发射线圈和接收线圈之间的电路模型如图 4 所 示，根据互感理论和基尔霍夫定律，列出发射线圈 和接收线圈回路的电压方程：     S 1 1 1 1 2 1 2 2 L 2 2 j j / ( j 0 j j j / ( ) U R L C I MI MI R L R MC I                       （2） 式中，L1、L2 为发射和接收线圈在高频下的等效电 感；R1、R2为相应线圈的等效电阻；M为线圈间的 互感，M= 1 2k L L ，k 为两谐振线圈的耦合系数； C1、C2为发射线圈与接收线圈在高频下的等效电容； RL为等效负载电阻。 图 4 无线电能传输系统等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of WPT system 互感理论分析传输系统相对较为简单，也是目 前广泛使用的方法之一，利用式（2）所示的关系， 根据两线圈回路的自谐振频率相同并且等于电源的 输出频率的条件，可以对系统进一步求解，其关键 是两线圈间的互感。而互感是与线圈的匝数、半径、 间距等参数相关，尤其当空间两线圈分布位置不确 定时，互感的求解比较复杂，目前仍未有一种精确 的求解方法，多采用近似求解[14-16,22]。 2.2.3 二端口网络 利用二端口网络分析传输系统的模型是继耦合 模理论和互感电路理论之后又一主要研究手段，它 将能量传输与转换部分看成是一个二端口网络，如 图 5所示，其动力学方程为 2 1 1 2 1 1 V A V B I I C V D I         （3） 根据式（3）以及各端口的参数可对系统进行 求解。 图 5 系统二端口模型[37] Fig.5 Two-port model of WPT system 3 关键技术及待研究的关键问题 3.1 高频功率电源技术 磁耦合谐振式无线能量传输之所以能高效传输 主要取决于系统能否工作在谐振状态，对于一套设 计好的线圈谐振器，故要求电源与谐振器之间的频 率要保持一致，如前所述谐振器一般设计为具有较 好的谐振频率，尤其在大功率能量传输方面要求电 源不仅能够提供足够的驱动能力还要具有相应的输 出频率，因此给电源的设计提出了很高的要求。目 前在兆赫兹的级别下能够实现的大功率电源方式主 要有振荡式、逆变式和功率放大式。 振荡类电源结构较为简单，易实现，常见的振 荡电路有变压器反馈式 LC 振荡电路、电感三点式 LC振荡电路和电容三点式 LC振荡电路，但缺点也 很明显。振荡电路的转换效率较低，谐振频率与振 荡的 LCR参数相关，调节起来较为困难，目前在这 一方面的研究较少，MIT所实现的磁耦合谐振式无 线电能传输系统中，采用电容三点式振荡电路实 现 [16,38]，虽然发射线圈和接收线圈的能量转换效率 很高，在 1m 范围内可达 90%，但整个系统的转换 效率却不到 20%，可见电源的转换效率极大地影响 了整个系统的转换效率。文献[39]也利用该技术在 距离 1m处实现了功率 1kW的输出，但系统的整体 效率较低。 第 28 卷第 10 期 黄学良等 无线电能传输技术研究与应用综述 5 为了实现电源的可控，目前多采用电力电子逆 变的方式实现[40-42]，但受电力电子器件的限制，该 类型的电源输出频率很难达到兆赫兹级别，一般情 况下电源输出频率多从几十 kHz 到几千 kHz 不等， 功率越大，频率的提高实现起来越困难。 多数时候为了寻求更高频率的功率输出，借鉴 了用于射频领域的电源技术，采用功率逐级放大的 方式来实现高频率大功率的电源设计，此类电源频 率较高可达几兆或更高[43,41]，不足之处在于逐级放 大不仅损失了效率，而且对每一级的阻抗匹配要求 比较严格，设计起来较为困难。目前多数无线电能 传输研究所使用的频段为工业科研医疗允许频段 （13.56MHz）或更高的频段，采用的电源多采用射 频功率放大的原理实现[45]。 3.2 谐振器设计与优化 3.2.1 谐振线圈设计 除了电源以外，谐振器线圈的设计也是磁耦合 谐振式无线电能传输中的关键技术之一，如前所述 高品质因数的谐振器线圈对系统传输性能的影响是 至关重要的，它的参数与系统的传输效率、功率、 传输距离等有着直接关系。 谐振器线圈自身参数的优化主要从线圈自身的 匝数、绕制方法、匝间距设计、材料选择等方面考 虑，结合系统的输出性能要求对谐振器线圈进行优 化。文献[46,47]给出了在既定频率下线圈的匝数选 取的优化方法，以及线圈结构不变的情况，通过改 变线圈的半径尺寸实现系统的效率优化。文献[48] 采用超导材料制作的谐振器线圈，研究结果表明在 其他条件不变的情况下，可将 MIT提出的系统的传 输距离从 2m提高到 100m，极大地提高系统的传输 能力和传输距离。文献[49]则指出将铜导线表面覆 盖铁等磁性介质，能够增加线圈的耦合以及减小临 近效应引起的损耗。 另外作为一种新的研究方向，采用介电常数和 磁导率同时为负值的左手材料，也被研究用于提高 系统的传输性能。 3.2.2 多线圈的设计 多线圈设计指在能量的传输过程中，采用多于 2 个的线圈结构来实现能量的传输。采用多线圈设 计的场合一般是在增加系统的传输效率、传输距离 以及改变系统的能量传输方向等方面。文献[16]通 过采用四套线圈结构，通过引入驱动线圈和负载线 圈以降低电源侧和负载侧对发射和接收线圈品质的 影响，以实现发射线圈和线圈最大化的能量转换。 MIT的 Rafif E. Hamam等人参照量子干涉现象的电 磁感应透明效应[50]，提出了中继线圈的概念，通过 在发射线圈和接收线圈之间增加一个同谐振频率的 线圈（如图 6所示），可以极大地提高能量转换效率， 降低空间散热损耗，在此基础上，中继线圈作为系 统提高的一种手段被广泛的研究[54]。文献[51,52]采 用多线圈的设计方法实现一对多和多对一的传输结 构，即采用一个发射线圈和多个接收线圈或多个发 射线圈对一个接收线圈的方式实现能量的传输（如 图 7所示），都取得了较好的传输效果。 在能量传输方面，虽然磁耦合谐振式无线能量 传输对方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，为 了更好的实现能量的定向传输，多线圈设计也被应用 在改变能量传输路径上[53]。通过改变不同中继线圈 的空间布局，从而达到改变能量传输路径的效果。 图 6 采用中继线圈的无线能量传输系统[54] Fig.6 WPT system based the relay coils 图 7 多电源多接收线圈的无线电能传输系统结构[55] Fig.7 Structure of multi – power and multi - receiver coils WPT system 6 电 工 技 术 学 报 2013 年 10月 3.3 系统控制策略和优化方法 3.3.1 频率分裂及其优化技术 频率分裂现象是磁耦合谐振式和感应式无线电 能传输技术都普遍存在的现象[56,57]，它是由于发射 线圈和接收线圈之间的耦合强度加强导致系统出现 多个谐振频率的现象。图 8 给出了系统出现频率分 裂现象时，整个系统负载侧接收到的功率情况，从 图 8 所示的结果不难看出，随着发射线圈和接收线 圈之间的距离不断加强（耦合强度增加），系统的负 载侧接收功率不再出现在自然谐振频率处。根据耦 合模理论，一般情况下系统会出现三个谐振频率， 分别称为自然谐振频率、奇/偶谐振频率[58]（极值功 率对应的频率点）。这种现象不仅增加了系统控制的 复杂性，而且增加了系统的不稳定性。 图 8 频率分裂与传输功率的关系 Fig.8 Relation of transfer power and frequency splitting 研究发现造成频率分裂的主要原因是线圈之间 的过耦合，为了解决频率分裂目前主要从线圈的位 置着手（如图 9所示）：①通过改变线圈之间的相对 位置，从而减弱发射线圈和接收线圈之间的互感， 实现系统退出频率分裂区域[59]；②改变两线圈之 图 9 改变线圈间耦合的两种方式 Fig.9 Two ways to change the coupling between the coils 间的旋转角度，在不改变线圈的空间相对位置的情 况下，改变发射或接收线圈的角度，可使得系统退 出频率分裂区域；③改变负载电阻的大小，当然在 很多场合负载电阻是不易改变的，所以此种方法具 有一定的局限性。 3.3.2 控制策略和优化方法 谐振频率是影响系统传输效率的一个主要因素， 因此目前关于谐振式无线电能传输的优化和控制大 多是围绕谐振频率来实现的。前面也提到谐振器线 圈的高品质因数，往往导致系统在工作时稳定性较 差，为了提高系统的稳定性，文献[60]提出了一种 动态跟踪控制的方法，通过锁相环实现反馈，不断 根据接收线圈的频率变化调整电源侧输出频率，从 而实现系统谐振频率的实时调谐。锁相环闭环跟踪 控制在解决谐振式无线电能传输系统稳定性差的问 题上具有很大的优势。根据谐振频率与传输效率之 间的关系，文献[61]提出了一种基于频率分段的效 率控制方法，通过在不同传输距离段采用不同的谐 振频率，来实现传输效率的稳定。文献[62]利用相 控电感来实现谐振频率调节，从而达到传输效率稳 定控制的目的。 3.4 电磁环境及其对生物体的影响 电磁环境问题不仅是谐振无线电能传输技术研 究一个热点问题，还是一个难点问题，根据 MIT提 出的实验室数据，磁场强度为几个特斯拉，与核磁 共振的磁场强度相当 [16]。文献[63]进一步研究指出 由于人体具有很大的磁导率，在该强度的磁场下， 对人体的影响是很小。关于磁耦合谐振式无线电能 传输技术的电磁环境问题的研究尚处于起步阶段， 虽然有部分关于电磁磁路和电磁兼容性的研究，但 总体上仍处于探索阶段。 4 热点研究领域及发展趋势 4.1 电动汽车领域 将无线电能传输技术应用到电动汽车的无线 充放电中，不仅可以解决各类充电桩的建设问题， 同时还可以分散电动汽车充电的集中程度，还可 以一定程度上缓解电动汽车规模化充放电对电网的 冲击。 目前关于电动汽车的无线供电技术国内外各大 汽车厂商以及科研机构等都在积极的开展研究，并 取得了显著的成果[64,65]。电动汽车无线充电已成为 第 28 卷第 10 期 黄学良等 无线电能传输技术研究与应用综述 7 当今世界研究的热点。 另外，电动汽车作为智能电网的一个重要组成 部分，规模化的电动汽车还可作为电网的储能设备。 无线充电技术的应用可以大大提高电动汽车电网间 的互动能力，对智能电网的积极作用更显著。具体 优势表现为： （1）可更好地抑制可再生能源的输出波动。无 线充放电的电动汽车具有更强的与电网的互动能力， 通过双方的智能互动系统，自动控制电动汽车的合 理充放电，从而达到抑制可再生能源输出波动，提 高可再生能源的消纳。 （2）可更好地减少对电网冲击影响。相对于有 线充电方式，无线充电方式充电地点更为分散，有 利于电动汽车充电的聚集度；由于不存在于电网的 物理连接，无线充电方式更为灵活、安全，能分散 连续充电时间，同时也大大减少快速充电的可能性。 无线充电方式能有效减轻电动汽车充电对电网产生 的冲击。 （3）可更好地发挥削峰填谷作用。无线充放电 技术可以通过用户意愿设定和电网智能调度，随时 随地在停车位 /停车场 /移动途中完成与电网互动， 执行充放电操作，完成蓄能/释能过程。电动汽车作 为移动储能工具，能更好地发挥削峰填谷的作用， 平衡负荷，提高电网稳定性，有效节约能源。 （4）减低对电池容量的要求。电动汽车电池是 限制电动汽车发展的主要因素之一。据统计电动汽 车行驶 15 万 km，电池就面临失效问题，用户只能 更换新电池。而无线充电方式相对可以减小对电池 容量的要求，减低更换新电池的成本。例如 2010 年 3 月 9 日在韩国首都首尔南部一座游乐园内首次 使用的一款无线充电的公交汽车系统，所使用的电 池体积只是传统电动车电池的五分之一，而且不需 要长时间充电；2011年欧洲进行了利用公交车进站 停站时间进行无线充电的实验，公交车的电池容量 从 145kW·h降到 45kW·h。 4.2 智能家居 智能家居近些年逐渐被人们所关注，其中智能 家电的供电中无线电能传输技术具有突出的优势， 为摆脱传统充电线缆的限制，最大化体现便捷、人 性化，“无尾”家电设备逐渐被提出。诸如 “免电 池”无线鼠标以及手机、笔记本电脑无线充电终端 等[66,67]。 4.3 医疗设备 无线电能传输技术在医疗设备应用主要集中植 入式医疗设备的无线供电中，诸如心脏起搏器、神 经刺激器、全人工心脏、人工耳蜗和视网膜假体[68-70] 等。植入式医疗设备一般的供电功率需求很小，在 几十微瓦到几十瓦不等，多采用经表皮的直接供电、 植入式电池无线充电等方式。例如，加利福尼亚大 学 G. X. Wang等人研制的人工视网膜供电装置[71]。 日本东北大学小柳光教授，试制出的可从外部向植 入眼球的人工视网膜用进行无线供电的系统。英国 南安普敦大学的研究成功的一款能将振动转化为电 能的“迷你发电机”，可望将来能凭借心脏病人的心 跳为自己的心脏起搏器供电。 人体植入设备的非接触电能传输也是无线电能 传输的主要热点研究领域之一，植入式设备采用无 线供电具有以下优点： （1） 供电中没有物理连接，避免了导线与皮 肤的直接接触，防止感染引起的并发症。 （2） 解决了植入式电池电能耗尽后需手术更 换的问题，提高手术后病人的生活质量。 （3）与人体皮肤没有直接的电气连接，不存在 裸露的导线和接触机构，消除了意外电击的可能性， 提高了设备对人体的安全等级。 （4）不存在直接的摩擦，消除了机械上的磨损 和电气腐蚀，具有高可靠性和免维护性。 （5） 由于非接触变压器一、二次是非紧密耦 合的，系统在变压器一、二次产生一定程度的错位 时仍可正常工作，提高了供电时的灵活性和病人的 舒适性。 4.4 工业应用 无线电能传输技术随着不断的成熟和发展，其 在工业领域也有非常广阔的应用前景。在工业上一 些特殊场合如化工设备中的检测装置、水下机器人、 分布式传感器的供电问题等等[72,73]，这些场合下的 用电装置一般采用换电池模式或用电缆输电，给设 备的正常使用和维护带来了诸多的不便，而无线电 能传输技术克服了上述缺点成了近年来国内外学者 和公司研究的一个新的热点。 5 存在的问题与发展趋势 无线电能传输技术不是一个新的概念，但新技 术和新应用的引入逐渐使其成为一门新的研究学科。 8 电 工 技 术 学 报 2013 年 10月 尤其无线电能传输技术具有传统电源线供电技术所 未有的独特的优势，该技术的发展与进一步突破将 在电动汽车、医疗、工业、电子等领域产生深远的 影响。虽然近些年以磁耦合谐振式无线电能传输技 术为基础的无线电能传输技术逐渐兴起，实际上仍 有很多问题亟待解决，如理论不够完善，现有的分 析理论虽然能够给实际的研究提供一定理论支撑， 但关于系统特性、参数优化、空间电磁场分布等研 究仍没有较为严谨的分析方法。 高频功率电源和整流技术仍未有较好的解决， 现有的高频电源方案普遍存在效率低下、设计复杂 等弊端。系统的控制和优化问题有待解决，对于高 品质因数谐振器线圈给系统的运行带来的不稳定性 问题，也未得到有效地解决。当然作为目前能实现 中程距离能量传输的无线实现方式，仍具有较大的 发展潜力。 参考文献 [1] 余卫国 , 熊幼京 , 周新风 , 等 . 电力网技术线损分 析及降损对策[J]. 电网技术, 2006, 30(18): 54-63. 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