谐振式无线电能传输技术综述

谐振式无线电能传输技术综述摘要：随着科技的进步，无线电能传输技术越来越受到关注。谐振式无线电能传输技术（MCR-WPT）作为一种中等距离具有较高功率和较大传输效率的无线电能传输技术成了研究的热点。本文对MCR-WPT进行概括性的总结。首先阐述MCR-WPT国内外的研究现状，其次分析MCR-WPT的基本结构和工作原理，并介绍目前用于分析该技术的主要理论，接着对该技术目前的传输水平和热点问题进行分类阐述，最后在当前研究的热点问题基础上，对该技术有待研究以及发展趋势进行了展望。关键词：无线电能传输；谐振；MCR-WPT0引言近年，笔记本电脑、手机、音乐播放器等大量的电子产品正涌入我们的生活。这些电器设备大多通过固定的电源获取电能，即电器与电源之间一般都需要用导线连接才能工作。然而，电源线的频繁拔插既不安全,也容易破损；错综复杂的电线既限制了设备移动的灵活性，又影响了环境的美观；并且在安全上存在很多隐患。所以，对无线电能传输技术的研究就显得愈发重要和迫切。无线电能传输（wirelesspowertransfer,WPT）又称为非接触式无线电能传输（contactlesspowertransfer,CPT），指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。根据传输机理的不同，无线电能传输技术可以分为，电磁感应式、电磁谐振式和微波方式。三种无线电能传输方式性能比较如下表无线充电方式传输功率传输距离缺点与技术电磁感应式几瓦到几百瓦d=1cm充电器必须有对被充电设备识别的功能，二者需要保持平行。电磁谐振式几千瓦3m到4m必须对所需要的频率进行保护。微波无线式最大100mw最大10m传输功率低，发射功率大部分以无线电波方式被浪费掉。MCR-WPT利用谐振原理能够在中等距离有较高的功率和较大的效率。近年来，国内外学者相继开展了关于MCR-WPT的理论和技术研究，取得了许多有积极意义的成果。文献[10-17]对MCR-WPT技术的发展进行了详细的综合论述。文献[18-41]概括了近年来国外的部分成果，文献[42-47]则概括了国内部分最新研究成果。由于谐振式无线电能传输机理复杂、技术难度大，涵盖了电磁场、电力电子技术、物理学、材料学、信息技术等诸多学科，还有许多理论和技术问题需要开展研究。本文对MCR-WPT技术进行概括性的总结、并探讨了有待解决的技术问题及发展趋势．1国内外研究现状1.1国外研究现状麻省理工学院（MIT）的研究小组，于2007年运用磁谐振耦合技术式实现了电能在中等距离（米级）的无线传输]1[，在其谐振频率为9.90MHz情况下，两个线圈相距2m时，能量传输效率约为40％；而两个线圈相距1m时，能量传输效率为90％。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%。日本富士通公司，在2010年运用电磁谐振耦合无线电能传输技术可以为多个设备进行充电。在2013年5月贵州举行“无线电能传输关键技术与应用学术研讨会”中。美国密歇根大学的ChrisMi教授宣布他所领导的团队取得了一系列成果，可以实现2-6kW的无线电能传输，效率高达94％以上，且系统工作频率在200kHz以下，非常适合于电动汽车的无线充电；斯坦福大学研究出一种电动汽车移动充电系统，汽车可以边行驶边充电，无线充电效率达97%。目前磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究尚处于起步阶段，主要集中在系统性能的提高和特殊场合的应用研究。1.2国内研究现状国内在这方面的研究起步虽然较晚，但是也取得了一定的研究成果。哈尔滨工业大学用串接电容的方式，制作了直径为50cm的LC谐振器]42[，此实验装置在相距0.7m时，能传输23W的能量，传输效率为50%。重庆大学的课题组，有一套完整的理论体系]5[，其研制出的无线电能传输装置，可以传输600W到1000W的电能，最高传输效率为70%。该课题组制造的最具有代表性的无线供电小车。华南理工大学的课题组设计制作了多组谐振耦合无线电能传输装置，这些传输装置的参数都不相同，通过对这几组无线电能传输装置进行比较试验，对谐振耦合无线电能传输系统的线圈尺寸以及距离与传输效率之间的关系；设计出了频率跟踪系统，解决了电磁谐振耦合电能无线传输中谐振频率失谐的问题。1.3目前的研究水平MCR-WPT研究水平主要通过传输功率、传输距离、传输效率和系统谐振频率体现。归纳文献[9]和[18-47]可以得到当前最好的研究水平，如下表所示。通过表中的参数可以得到3点结论：①目前传输的功率较小：小于1kW；②工作频率较宽③传输效率与传输距离成反比。传输功率(w)传输距离（m）传输效率（/%）谐振频率（MHz）参考文献（i）602.0040.010.009601.0090.010.0012200.3095.03.703111.0070.013.5622700.1575.213.5629401.0076.00.5032501.0064.01.45352基本原理2.1基本结构目前MCR-WPT系统大都采取如图1所示的结构：两线圈结构，图2是它的等效电路。能量传输系统包括能量发射端和能量接收端两部分。AC1C1L2L2CSZLZ发射线圈接收线圈图（1）两线圈半实物结构图S2RLR2C1L2L1i2i1C1RM1u2u发射线圈接收线圈图（2）两线圈等效电路图2.2工作原理导线绕制的发射线圈为一空芯电感L，L与谐振电容并联构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔一定距离的接收端是由1个接收线圈并联1个电容形成的谐振体，其自然谐振频率与发射频率相同，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。3理论基础目前，常用的MCR-WPT系统模型包括耦合模理论模型和互感等效电路模型。3.1耦合模理论模型麻省理工学院最早将耦合模理论用于解释谐振式无线电能传输。以图1的两线圈传输系统为例，可以得到系统耦合模公式如下：{𝑑𝜕1𝑑𝑡=−(𝑗𝑤1+𝜏1)𝛼1+𝑗𝑘12𝛼2+𝑠𝑑𝜕2𝑑𝑡=−(𝑗𝑤2+𝜏2+𝜏𝐿)𝛼2+𝑗𝑘21(1)式中，𝜕1，𝜕2分别为发射线圈和接收线圈的简正模，𝜏1，𝜏2，𝜏𝐿分别为发射线圈，接收线圈，和负载的衰减常数，𝑘12=𝑘21=𝑘为两线圈的耦合系数，𝑤1,𝑤2分别为发射线圈和接收线圈的谐振频率，𝑠为驱动源引入的驱动项。调节驱动源的功率，可使此谐振系统可进入一个稳定状态，即激励源注入系统内的功率与负载及线圈本身的消耗功率相等，此时整个系统内的总能量保持不变。则可得系统的传输效率公式如下：η=𝑅𝐿𝐿1𝑊2𝑅1𝐿2𝑊1+(𝑅2+𝑅𝐿)𝐿1𝑊2(2)3.2互感等效电路模型对图（1）根据基尔霍夫电压定律的如下方程式：(U𝑆0)=(𝑍11𝑍21𝑍12𝑍22)(𝑖1𝑖2)(3)其中，{𝑍11=𝑅1+𝑗𝑤𝐿1+1𝑗𝑤𝐶1𝑍12=𝑍21=𝑗𝑤𝑘√𝐿1𝐿2𝑍22=𝑅2+𝑅𝐿+𝑗𝑤𝐿2+1𝑗𝑤𝐶2(4)当系统处于谐振状态时，可得系统的传输效率公式如下：η=𝑄1𝑄2𝑘2𝑅1𝑅2𝑅𝐿[𝑄1𝑄2𝑘2𝑅1𝑅2+𝑅1(𝑅2+𝑅𝐿)](𝑅2+𝑅𝐿)(5)式（5）中：Q为谐振体的品质因数𝑄𝑛=𝑤𝑛𝐿𝑛𝑅𝑛。4MCR-WPT关键技术]1310[1）高频电能变换技术，2）谐振补偿技术4.1高频电能变换技术在MCR-WPT系统中，高频电能变换环节主要承担着为产生功率磁场的能量导轨提供稳定的高频交变激励电流的任务，即将50Hz工频交流电源，经过该环节变换后给能量发射导轨提供10kHz~100kHz的高频正弦电流。作为系统高频电磁能转换的关键环节，该部分的工作效率、稳定性及可靠性直接决定着系统的整体性能。在一般大功率应用中，对该环节主要有以下要求：（1）为保证传输功率的稳定性，能量发射导轨的励磁电流频率及幅值应保持恒定，同时对负载变化及参数漂移具有较强的鲁棒稳定性；（2）为提高系统整体效率及可靠性，该变换环节的损耗、电压（电流）瞬变率应控制在较低的水平范围内；（3）为减小能量发射导轨的高频损耗及对周围环境的电磁干扰，输出的高频电流应为具有较低波形畸变度的正弦波电流；（4）为使系统能够适应不同负载的功率需求，该变换环节应具有一定的功率调节能力。4.2谐振补偿技术MCR-WPT系统中，一方面为了提高功率传输能力，另一方面为了降低对输入电源伏安等级的要求，通常会采取在系统的原边线圈和副边线圈添加补偿电容的措施，以使系统工作于谐振状态。根据原边线圈与原边补偿电容的连接关系以及副边线圈与副边补偿电容的连接关系的不同，有如图3所示的四种最基本的拓扑结构，其中，S表示串联补偿，即补偿电容与线圈电感是以串联的方式连接；P表示并联补偿，即补偿电容与电感是以并联的方式连接。图中，LP和Ls分别为原副边电感，Cp和Cs分别为原副边调谐电容，RP和RS分别为原副边线圈的内阻，RL为负载电阻，M为原副边电感之间的互感，uin和iin分别为输入电压和电流，ip和is分别为原副边谐振电流。图3ICPT系统的四种基本拓扑结构5研究的焦点问题5.1频率分裂问题MCR-WPT时，经常会出现2个以上谐振频率或多个电流(压)峰值，即频率分裂问题。特别是在近距离传输时，多峰现象更为突出。频率分裂现象影响了系统传输效率[30]。文献[24]等提出了通过增加中继谐振线圈个数来抑制频率分裂现象，在很大程度上提高了传输效率[58]，但增加了结构上的难度。文献[29]、[45]从耦合模模型研究出发，认为距离影响传输系统的相位，低于原谐振频率，能量系统处于同相状态；高于原谐振频率处，传输系统处于反相状态，解释了谐振峰值数量的变化。为了抑制频率分裂现象，文献[26]、[32]在控制参数和结构上做了大量有成就的工作，如调整系统谐振频率、增加匹配网络等，并取得了一些较好的传输效果。5.2频率一致性MCR-WPT高效传输是建立在系统谐振频率一致的基础上的。保证在不同距离、不同工作情况下的频率一致性及频率一致性控制是非常重要的，否则系统的功率、传输效率及系统性能都会下降。为便于调整系统频率一致，文献[37]和文献[29]提出通过增加中继级线圈调节传输峰值。文献[29]提出利用电路理论分析带有中继谐振线圈的传输系统，通过求解系统矩阵的特征值，得到新的谐振频率ω，这些理论和方法还需要在今后的研究中进一步验证。5.3系统结构与传输路径系统结构与传输路径的研究主要包括线圈的对数、线圈的中心线对准、单发射—单接收、单发射—多接收和多发射—单接收等问题。目前国内外许多学者就系统结构与传输路径开展了多项研究。取得的相关成果有：①MCR-WPT对发射端和接收端的方向指向不甚敏感；②采取一个发射线圈—多个接收线圈方式，总体传输效率高于一对一结构[29]；③当接收线圈数目达到一定数量，进一步增加线圈，总体效率会急剧下降[18]。因此，系统结构要精心、合理选择，在合适的结构下还要进一步研究频率自适应跟踪调节等诸多因素。5.4工作频率范围和最佳传输距离无线电能传输的主要机理来自19世纪Nikola-Teasla提出的机理和实验。为了实现电能的传输，频率f与发射线圈直径D、传输距离d都有关系。例如，f=10MHz时，D=30cm,其最佳传输距离d=30/(2π)=4.78cm。发射线圈直径与效率、工作频率、线圈导线的宽度有着非常复杂的关系。考虑线圈Q值、损耗Γ、发射与接收线圈直径比值x等综合因素y(Q,Γ,x)，发射线圈的直径表达式为：D=y(𝑄,Γ,𝑥