Abstract: In recent years, with the progress of science and technology and the continuous development of society, unlimited electric energy charging technology has attracted wide attention because of its unique advantages. There are four main ways for the practice of radio energy transmission technology. This article will introduce the working principles and methods of the four kinds of electric energy transmission, and analyze their advantages and disadvantages.

Key words: Wireless transmission   Electromagnetic induction   Magnetic coupling resonance   Electromagnetic wave

【中图分类号】O441.3 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）07-0000-00

1 引言

无线电能传输技术，是一种借助于物理空间中的能量载体(如磁场、电场、电磁波、微波等)，基于非导线接触方式，实现电能由电源侧传输至负载侧的技术，可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式，小功率无线充电常采用电磁感应式，如手机充电，大功率无线充电常采用谐振式由供电设备将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。

无线电能传输，由于它在便携式通讯、交通运输、机器人探测、植入式医疗、军事、航空航天等领域都有重大的应用前景和战略意义，被美国《技术评论》杂志评定为未来十大科研方向之一。因此，近几年无线电能传输得到了很大的发展，甚至已经有在商业上的应用，如手机充电、电动汽车、家电等领域[1]。无线电能传输技术根据实现方式主要分为四类：基于磁耦合谐振方式的中等距离无线电能传输、基于电磁感应方式的近距离无线电能传输、基于微波方式的长距离无线电能传输，和基于电场耦合方式的极短距离无线电能传输[2]。

2 电磁耦合谐振输电技术

电磁耦合谐振无线输电技术理论首先由美国人Marin提出并进行研究，2007年7月其团队利用该理论成功将电能输送至2m远的地方，将60W的灯泡点亮，传输效率为40%。无线电能传输技术具有传输功率大、传输效率高、传输距离较远、方向性要求不高、对生物体影响不大等优点。到目前为止，国内外研究机构针对该技术已在系统建模、拓扑变换、阻抗匹配、电磁安全、标准制定等方面取得了很大的进展[3]。电磁耦合谐振无线输充电系统框图如图1所示。

电磁耦合谐振无线输电技术包括两个部分，分别为发射部分与接收部分，其中发射部分主要包括工频交流电源，整流器、逆变器、发射线圈等装置；而接收部分则包括接收线圈，整流装置，负载等装置。工频交流电源首先通过整流装置转变成直流电，然后利用逆变器将直流电逆变成具有谐振频率的交流电，通过耦合作用将电能从发射圈输送到接收圈，再将接受的电能转换满足负载所需要的电压与电流要求[4]。

磁耦合谐振式的无线电能传输在距离高于一定的数值时，它的传输距离和传输效率会成反比，而低于这个数值时，它的传输效率会与传输距离成正比[5]。

3 感应式无线输电技术

感应式无线充电技术的基本原理是电磁感应原理，是利用电源侧线圈产生交变磁场，耦合到负载线圈，从而将电能传递给负载。感应式无线电能传输采用近场传输，在近场区只有电磁能量相互转换，在某个确定频率下，线圈工作在谐振频率点，因为原边和副边的谐振频率相同，所以能高效地传输能量[6]。电磁感应无线输充电系统框图如图2所示。

感应式输电技术以现代控制理论为理论基础，利用能量交换技术、磁场耦合技术基于变压器的变形应用，实现能量从静止设备向可移动设备的非接触传递[7]。通过一系列的电力电子变换技术在初级线圈中产生交流电流，经过空气间隙向次级辐射电磁波，从而实现能量的非接触传输，该系统可等效地看成一种松耦合变圧器，其与传统的变压器区别在于初级线圈与次级线圈有较大的空气磁路[8]该项技术的优点在于原理简单，容易实现，近距离电能传输效率高，缺点是传输距离短，对位移和频率变化的稳定性差，对－次、二次传输线的形状和对齐方式要求较高，一旦出现相对位移，系统的传输效率会急剧下降[9]。并且，随着传输距离的增大，能量传输的效率会减小。

4 微波辐射无线电能传输技术

微波辐射无线电能传输技术，在1964年由雷神公司的William C.Brown利用微波技术进行直升机平台无线供电实验验证，并取得成功，随后他将微波能量束传输到1英里远处的接收站传输功率为30W[10]。电场耦合无线充电系统框图如图3所示。

       

所谓微波输电，就是用微波源把电能转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接受天线收集，经微波整流器重新转变为电能。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处，微波辐射无线输电技术，由于微波的穿透性，使得微波可以穿透某些障碍物，可以适用于远距离的电能传输。但是大气中的空气介质有不稳定性，使得微波传输有不定向性，并且空气中的杂质和水蒸气会造成能量的大量损害，生物体吸收大量的微波也会影响生物体的发育和生长。

5 电场耦合式无线电能传输

电磁干扰和金属障碍物阻碍能量传输的问题一直是制约电磁感应技术和磁耦合技术进一步发展的关键原因，而电场耦合电能传输恰好可以解决这个问题。电场耦合电能传输的原理是在发射能量侧和接收能量侧分别设置电极，利用金属板之间的电容效应来实现无线电能传输的，也叫做电容耦合式无线电能传输[11]。这种传输方式有两个特点：

(1)能量可以穿越金属障碍物。当极板间存在金属障碍物时，能量能够正常的穿越屏障完成传输，而不会像感应耦合方式那样被截断；

(2)电磁干扰很低：因为电场只存在于两极板之间，系统中电磁干扰可以大大的减少。

6 结束语

   近些年来逐渐无线输电技术的受到人们重视，吸引了越来越多的研究者，它的理论和应用的范围也越来越大，无线输电技术的发展与革新也越来越快。目前，部分国家和地区已经颁布了无线充电的标准，无线输电正在向着安全，高效的方向发展，无线充电的标准化对整个产业的发展，包括产业链中的各个环节都是有利的，电子产品的发展也会去于开放化和标准化，无线输电技术目前应用并不成熟，仍然面临着许多的挑战，但也会成为未来发展的必然趋势。

参考文献

［1］S.Kim,H.H.Park,J,Kim,et al.Design and analysis of resonant reactive shield for a wireless power electric vehicle[J]2014,1-10.

［2］张榕.基于磁耦合共振的无线充电系统研究.重庆，电子科技大学，2011.

［3］黄学良，王维，谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与展望.电力系统自动化，2017.

［4］宋帅孝.电磁耦合谐振无线输电技术研究.西南交通大学，2016.

［5］储江龙，磁耦合谐振式无线电能传输系统高效E类功放设计和实现.浙江大学，2014.

［6］陈晓朴，邹兴，黄胜明等.一种感应式无线充电系统的研究与分析.电源技术与应用，2015.

［7］Yungtaek jang,M.M. Jovanovic.A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers,IEEE Transactions on Industrial Electronics,2003,50(3):520~527.

［8］朱美杰.感应式无线充电技术的研究.南京信息工程大学，2012.

［9］郭鑫，基于主动补偿的感应式无线电能传输技术.北京交通大学，2016.

［10］Cclcstc A, Jcanty P, PIgnolct G.Casc study in reunion island [J]. Acta Astronautica.2004,54(4):253~258.

［11］周川.基于电场耦合的无限电能传输技术研究[D].重庆大学，2012.

作者简介

房  聪（1995-）男 工学硕士 智能电网方向