Abstract: At present, there are mainly three ways of wireless power transfer, inductively coupled, microwave radiation and magnetically couple resonant. Compared with the first two ways, magnetically couple resonant has many advantages, for instance, high transfer efficiency in medium transmitting distance, insensitive to misalignment of coils. It has attracted wide attention in the field of electric cars, implantable medical and other portable devices.  

Key words: Wireless power transmission   Magnetically couple resonant

【中图分类号】TM724 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）09-0000-00

1 引言

现在的电能传输方式，传统的依靠导线以及金属接触来传输电能的方式依然占据着主导地位。传统电能的供电方式不可避免的会产生线路损坏，导线的摩擦、磨损以及老化、受腐蚀等问题降低了用电设备的可靠性，而且容易引发安全事故，在一些特殊领域，例如在医疗，矿井，油田开采等领域，会给人们的生产生活带来巨大的灾难——这些问题迫使人们寻求一种新型的电能传输方式。伴随着电力电子与相关控制技术的发展,高效可靠的无线电力传输技术已成为可能。无线电力传输技术不仅解决了传统接触式传输的固有缺陷,更具有供电便捷、灵活性高、环境适应性强及易于实现自动化智能化传输等优势,正逐渐受到越来越广泛的关注。

对无线电能传输技术的研究最早可追溯至1893年。

尼古拉特斯拉首先提出无线电能传输的概念并进行一系列试验。多年来，国内外学者对无线电能传输进行了相关的研究，虽取得一定成果，但是在传输距离和传输效率同时兼顾方面仍未取得实质性的进展。

直到 2007 年，美国麻省理工学院(MIT)Marin Soljacic教授提出了磁共振耦合式无线电能传输技术[1]，在《Science》期刊上详细阐述了非辐射强电磁谐振式中距离无线输电的原理，并制作出点亮一盏两米多距离外 60 瓦灯泡的装置，使无线电能传输有了突破性进展，实现了中等距离电能的高效传输。

磁耦合谐振式无线电能传输是当前电气工程领域最热门的研究方向之一，是当前国内外学术界、医学界和工业界探索的一个综合多学科的新研究领域，综合利用电力电子技术、控制技术、电磁场等许多学科领域的技术。目前，磁耦合谐振式无线电能传输仍然处于起步阶段，影响该技术的诸多要素分析仍显欠缺。

2 原理及结构

磁耦合谐振式无线输电(Magnetically Couple Resonant Wireless Power Transmission)系统由发射端和接收端两部分组成，发射端发出高频激励信号，信号频率、发射线圈与接收线圈的谐振频率相同，从而使输电系统产生谐振，谐振是一种高耦合的传输方式，使系统能够高效率的传输电能。 磁耦合谐振式无线输电的基本结构如图1所示。

由于不同无线输电设备所要实现的功能和工作环境的不同，磁耦合谐振式无线输电也出现了不同的结构。根据线圈的个数可分为一对一、一对多、多对一等结构；按照单个线圈的绕制方式分为螺旋式线圈和盘式线圈结构[2]；根据补偿电容在发射线圈与接收线圈串并联的方式不同，可以将磁耦合谐振式无线输电电路拓扑分为四种：串/串(S/S)、串/并(S/P)、并/串(P/S)和并/并(P/P) [3]。如果接收线圈采用串联补偿，输出特性就类似于电压源，输入阻抗对负载变化敏感；接收线圈若采用并联补偿，则其输出特性类似于电流源，输入阻抗对负载变化不敏感，但轻载环流较大[4]。磁耦合谐振式无线输电补偿电路如图2所示。

3 影响传输效率的因素

磁耦合谐振式无线电能传输目前还不能进行较大功率的传输。在 MIT 的研究中，采用10MHz的谐振频率，在2m多的距离下，能够以40%的效率传输 60W 的功率；而在1m的距离范围内，效率可达 90%以上。影响磁耦合谐振式无线输电的因素，主要有传输距离、谐振频率、品质因数等。一般情况下，传输距离越大，传输效率越低；工作频率偏离谐振频率时，远距离处的传输功率和传输效率急剧下降，而对于近距离处的传输功率和传输效率反而上升，这种情况是谐振系统的频率在近距离时发生了分裂。为了抑制这种频率分裂现象，已经提出了多种方法：非对称的谐振线圈结构,该结构可以避免系统工作在过耦合区域，从而有效抑制了频率分裂现象；减小发射线圈与接收线圈之间的互感、增加源线圈与发射线圈之间的互感、增大接收线圈与负载线圈之间的互感、以及减小电源内阻抗，不仅可以抑制频率分裂，同时又提高了系统的传输效率；使用 L型阻抗匹配网络来调节等效负载电阻的方法能达到同样的效果[5]。随着频率的增大无线电能传输的功率和效率先是增大随后又减小，因此可以通过调整频率改变负载阻抗值可以使得功放模块的输出功率达到最大值。由于此时的输出功率最大，那么反射功率就会降到最低，这样功放模块上的热损就会减小，所以此时的传输效率也最大。负载阻值越小，得到的无线电能传输的功率和效率也就越大[6]。

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，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。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[7]。在原来系统的结构基础上，在发射线圈和接收线圈之间加入一个中继线圈，这样不仅能够提高传输效率，传输距离更是能提高三倍以上。

4 面临的主要问题

磁耦合谐振式无线输电系统对电信号的频率变化非常敏感，当该系统中的某些参数发生变化时，系统的传输特性将会发生怎样的变化，以及怎样进行优化校正，目前还没有太多的研究。在实际应用中也存在许多问题，如何对移动的负载进行可靠供电，如何抑制导电或导磁物质造成的干扰，如何对其充放电状态进行控制问题等，都还没有找到很好的解决方法。磁耦合谐振式电能无线传输技术目前有以下几个研究热点：频率分裂问题、传输结构问题、线圈参数优化问题、高频逆变技术问题、传输效率问题、最小接入技术问题、传输路径问题[8]。

目前，磁耦合谐振式无线电能传输的原理分析主要有耦合模原理和电路原理两种理论，但这两种理论都不是一套完整的能被完全接受的理论，所以说在这方面还存在很大欠缺。同时，磁耦合谐振式无线电能传输的系统设计上也存在许多问题，例如系统的电路的设计和参数的选择和系统参数变化时怎样去优化。

5 结束语

无线电能传输已经引起了广泛的关注，接下来的几年一定会得到飞速的发展，而磁耦合谐振式无线电能传输更是有突出的优势。未来这项技术能得到充分利用的话，它将会极大的提高我们的生活质量，为我们带来许多意想不到的方便。磁耦合谐振式无线电能传输技术的发展也会为医学、航天、工业制造等领域带来更多的可能性，推动它们的发展，对它的研究有极其重大且实际的意义。

参考文献

[1] Aristeidis  Karalis, J. D. Joannopoulos, and Marin Soljacic. Wireless Non-Radiative Energy Transfer[C]. The AIP Industrial Physics Forum, 2006.11.

[2]周洪,蒋燕等．磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究及综述[J]．电工技术学报,2016,31(2):1-12．

[3]张望,伍小杰,等．串/串补偿型无线电能传输系统的建模分析[J]．电力系统自动化,2017,41(10):135-140．

[4] S. Wang, Oskar H. Stielau, Grant  A. Covic. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(5): 1308–1314.

[5]李中启,黄守道,等．磁耦合谐振式无线电能传输系统频率分裂抑制方法[J]．电力系统自动化,2017,42(2):21-26．

[6]李阳,杨庆新,陈海燕,闫卓,张献,薛明.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J]．电工电能新技术,2012,7(31):32-34．

[7]黄学良,谭林林,周亚龙,王维,曹伟杰.无线电能传输技术研究与应用综述[J]．电工技术学报,2013,10(28):1-11．

[8]董苗苗. 磁耦合谐振式无线电能传输的研究[D].北京：华北电力大学电气与电子工程学院,2014：1-46.