• 头条学术综述:无线电能传输技术应用研究现状与关键问题
    2021-07-26 作者:薛明 杨庆新 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语自美国MIT研究团队于2007年公开发表对无线电能传输技术的研究成果以来,国内外专家学者从科学问题和关键技术两方面进行了广泛且深入的研究。伴随着难点问题的突破,无线输电作为一种新型电能传输方式所辐射的领域不断增多。 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)、天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室的研究人员薛明、杨庆新、章鹏程、郭建武、李阳、张献,在2021年第8期《电工技术学报》上撰文,首先对无线电能传输技术的分类和组成进行简要介绍;其次着眼于国内外10余年来,该技术在家用电子设备、智能家居、医疗器件、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航天八大领域的应用,重点阐述该技术的应用水平和目前在不同领域中存在的难点问题;再次从文献和专利两方面对比分析国内外该技术的研究成果;最后总结了无线电能传输技术在各领域实际应用中的关键共性问题,并分析无线电能传输技术产业化发展现状。

    自从人类学会用电,便与电密不可分。如今,人们生活中电气化程度越来越高,电能的应用越来越多。传统电能传输普遍采用金属导线和电缆线等传输介质,其在电力传输过程中不可避免地会产生传输损耗、线路老化、尖端放电等问题,从而为一些易燃、易爆场景的供电设计带来困扰。

    无线电能传输作为一种新型的电能传输方式有效地避免了“不宜、不易”使用导线供电场景中的诸多弊端,提高了供电方法的自由度,拓展了人们对电能传输方法的想象。

    经过多年发展,无线电能传输技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航空航天八大领域快速应用,并正向更广泛的领域渗透,部分技术研究成果已成功实现产品化与产业化。

    无线电能传输技术简介

    无线电能传输技术(Wireless Power Transfer Technology, WPTT)于19世纪中后期首次被著名的电气工程师尼古拉?特斯拉提出,它是一种借助于空间无形软介质(如电场、磁场、声波等)将电能由电源端传递至用电设备的一种传输模式。这种传输方式与传统利用电缆线输送电能的方式相比更加安全、便捷和可靠,被认为是能源传输和接入的一种革命性进步。

    1 无线电能传输技术分类

    随着无线电能传输技术理论研究的深入与发展,科研工作者面向不同的应用场景和实际问题,不断提出与无线电能传输技术相关的新名词和新概念。本文通过查阅现有文献资料,将无线电能传输技术按能量传输机理和能量收发端耦合空间位置变化两种方式进行分类,图1为无线电能传输技术分类框图。

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    图1 无线电能传输技术分类框图

    2 磁耦合式无线电能传输系统简介

    目前无线电能传输方式中,理论研究较多且应用进程较快的主要为磁耦合无线电能方式。目前已有文献资料从能量传输原理分类的角度对磁耦合无线电能传输系统构成进行了详细的介绍,本文从能量收发端耦合空间相对位置是否变化的角度进行阐述。

    01 静态无线充电系统

    静态无线充电系统以电磁场为原理,高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和静止负载为电能流通主路,集成检测、通信、控制和保护电路,收发端依靠高频电磁场实现为静止负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居和医疗器件等功率需求较小以及电动汽车和工业机器人等大功率能量传输场景。图2所示为电动汽车静态无线充电系统结构。

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    图2 电动汽车静态无线充电系统框图

    02 动态无线供电系统

    动态无线供电系统是以电磁场为原理,高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和移动负载为电能流通主路,集成检测、传感、通信、控制和保护电路,收发端依靠高频动态电磁场实现为移动负载实时供电。

    其与静态无线电能传输系统相比,原理采用感应耦合与电磁谐振协同工作方式,最大差异在于电磁耦合系统结构设计、补偿拓扑和控制策略方面,并且动态供电系统在系统复杂程度、技术成熟度以及建造经济性等方面均需要进一步提升。

    该系统主要应用于高铁列车、有轨电车和电动汽车等场景。如图3所示为电动汽车动态无线供电系统结构示意图。这种供电方式可保证移动受电体实时获取电能,有效避免了电池续航能力弱和充电时间长的弊端,同时也极大地减轻了受电体的质量。

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    图3 电动汽车动态无线供电示意图

    03 准动态无线电能传输系统

    准动态无线电能传输系统构成与静态无线充电系统类似,其技术成熟度介于静态系统与动态系统之间,主要应用于移动受电体(有轨电车或电动汽车等)缓慢移动或短暂停车(如交通灯路口)时为车载储能装置充电。与传统的动态无线传输系统相比,简化了系统控制复杂性,降低了基础设施成本,并能够使发射端和接收端磁场耦合度高,从而实现能量高效传输。

    无线电能传输技术应用水平与重点问题

    随着无线电能传输技术在诸多领域的快速应用,本文通过查阅10余年来国内外研究成果,阐述了目前该技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、交通运输、工业机器人、物联网、水下探测设备和航空航天八大领域的应用水平,并对各领域中待突破的难点问题进行了总结,表1为该技术在不同应用领域对比分析。

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    表1 本技术在不同应用领域对比分析

    1 家用电子设备与智能家居领域

    无线电能传输技术最早应用于电动牙刷、智能手表、MP3和手机等电子设备领域,其充电采用静态感应式无线充电方式,由于电子设备的体积较小,线圈结构优化设计、屏蔽方式和电能变换集成化芯片是主要研究方向。

    目前,针对电子设备的小功率无线充电技术已经成熟,充电标准主要采用无线充电联盟(Power Matters Alliance, PMA)标准和Qi标准。无线充电产品中电能发射端与接收端尺寸在2~10cm,传输距离一般在mm级,并且硬件可通过软件更新实现兼容。

    可量产的线圈结构包括HQ-S(单线圈)、HQ-D(双线圈)、HQ-F(四线圈),以及HQ-O(16线圈)等,并且搭载了专用异物检测线圈,可检测直径小于15mm的标准异物和任何金属零件,其中,16线圈支持自由位置、15W快充和多设备同时充电。

    此外,接收侧采用的无线充电芯片可兼容多种无线充电标准,自动识别发射端充电协议。2019年,全球航空航天、国防等行业先进技术的主要供应商Astronics公司,宣布推出一款可用于商务飞机为乘客的智能手机和其他设备进行无线充电的充电器,这款15W的充电器已被空客、波音公司采用。航空客机搭载的无线充电模块如图4所示。

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    图4 航空客机搭载的无线充电模块

    感应式无线充电技术,适合短距离无线充电,充电效率可达95%以上,但在空间自由度上存在劣势。磁耦合谐振式充电在水平面积和充电垂直距离方面拥有更高的空间自由度,但是传输效率低、成本较高。

    在智能家居领域,无线电能传输技术在产品的智能化中具有重要地位,它改变了传统上通过插、拔电线使用电能的方式,改善了空间环境和用户体验,其主要采用静态感应耦合方式实现无线充电。

    针对感应式中功率等级下的具体应用场景,科研人员从不同角度进行了大量研究工作,在理论上取得了诸多可应用于产业化的成果。

    海尔集团作为中功率等级下无线电能传输技术在智能家居领域成果转化的领先者,近年来不断推出了诸多可产业化的产品。例如,2010年的世界首台“无尾”电视、2012年的“无尾”厨电产品以及2016年推出的可用手机APP控制无线充电的卫玺无尾智能马桶盖。

    无线电能传输在智能家居领域具有巨大的前景,Wireless Power Consortium在2019年3月表明正在编写其用于厨房电器的新无线电源标准Ki。此外,科研工作者正在研究采用微波无线供电方式同时给家庭中无线鼠标、手机、计算机、台灯和加湿器等电器进行无线供电的技术。

    综上所述,目前无线电能传输技术在电子设备领域主要还是以静态感应式供电系统为主,并已经取得诸多可产业化的产品,部分产品已经进入电子商品市场,但具备高空间自由度的充电升级产品还需进一步研发。

    在智能家居领域亦是由静态感应式无线充电系统占据着主导地位,技术比较成熟,已经具有商业化的能力,但由于存在家电负载功率等级跨度大、拾取端位置与负载功率需求随机性大、效率要求高等问题,因而在研究中对工作频率、原边谐振电流及负载输出电压的近似恒定、效率优化等方面还需进一步优化。

    2 医疗电子设备领域

    无线电能传输技术应用于植入医疗器械,医疗传感器如胶囊内镜等医疗电子设备领域,可有效解决患者利用手术更换电池蓄能的问题。

    2003年,日本RF公司采用该技术研制出植入式内窥镜生物遥测系统,以色列、韩国以及欧洲随之相继推出了相应的实物产品。2005年,日本的Masaya Watada与韩国的Y. Um提出了对人工心脏进行无线电能传输的设想。

    2008年,美国匹斯堡大学将无线电能传输技术应用于体内植入器件,并在空气、人体头模型及猪活体中进行实验研究。2013年,香港城市大学针对视网膜假体的应用中线圈失调引起的弱磁链将严重影响功率效率的问题,提出了一种新型的高偏差容差接收机结构。

    2017年,麻省理工学院科学家在已研制的采用外部来源进行无线充电的耳蜗植入物基础上,提出采用中场耦合的新技术,与近场耦合相比,工作频率与耦合效率获得较大提升,并通过实验成功利用位于猪体外的发射器将电力传送到位于猪食道、胃和结肠内的三个接收器,传输的电力水平分别为37.5ìW、123ìW以及173ìW。

    此外,马来西亚大学提出了一种用于机器人胶囊内窥镜的优化电感耦合WPT系统。印度浦那NBN Sinhgad提出了一种基于磁谐振耦合的可穿戴起搏器无线供电系统。清华大学提出了一种具有自动功率调节功能的植入式医疗设备的无线功率传输系统。

    无线充电技术在医疗电子设备领域研究初期均采用静态感应耦合方式,要求发射器和接收器距离较近,适用皮肤下方的植入物充电,而不适用于消化道深处的小型电子产品。

    2014年,斯坦福大学研究院在美国《国家科学院学报》上发表了一种可以为植入人体内的医疗器械进行无线充电的新技术。该技术可为仅有米粒大小的医疗电子设备进行充电,且能够更“深入”地植入人体内,长久地获得电能输送,甚至不需要电池储能,只需将电源靠近皮肤就能给体内的设备供电,如图5所示。

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    图5 仅有米粒大小的医疗电子设备

    2018年,Cambridge Consultants公司针对人体可植入设备充电提出了MagLense无线充电系统的概念,该系统具有形状独特的柔性线圈,能够弯曲变形,适用于人体任意部位的植入设备。

    综上,目前无线电能传输技术在医疗电子设备领域,皮肤下方的植入物静态感应方式无线充电比较成熟,消化道深处电子产品的静态谐振方式无线充电还处在研究初期。该领域的研究难点在于不给生物组织造成损伤的安全功率范围内,接收器尺寸微型化、电路结构集成化、材料生物兼容性等问题。

    3 交通运输领域

    近年来,以电能为动力来源的交通工具得到快速推广,无线电能传输技术作为一种新兴的电能传输方式,已成为国内外科研机构以及各大车企的研究热点。其原理主要采用感应耦合式和磁耦合谐振式,两种方式可在功率等级、系统损耗、传输距离等方面差异形成优势互补。

    01 电动车辆

    电动车辆应用无线电能传输技术蓄能,在灵活性和安全性等方面优势明显,在一定程度上促进了电动车辆的发展。目前,对静态无线充电与动态无线供电系统,研究人员在理论研究和技术应用等方面取得诸多进展,但距离成熟可产业化推广的采用无线蓄能的电动车辆依旧面临巨大挑战。

    1)电磁耦合系统

    在静态无线充电和动态无线供电系统中,电磁耦合系统是决定整体能量传输效率的重要部分,它包括补偿网络拓扑、耦合线圈和电磁屏蔽三部分。

    补偿网络拓扑由电感和电容元件的串联或并联组成,用来调节电磁耦合系统收发端参数,使之与线圈电感发生谐振,从而减低无功、提高传输效率和改变传输特性等。

    串串、串并、并并和并串是目前已有文献中研究较多的四种拓扑结构,其中,串并/串谐振补偿拓扑结构,在全负载范围内具备接收端输出恒压特性。一次侧失谐的SS补偿拓扑,具有较强的抗偏移能力且不存在轻载安全问题。

    此外,在基本补偿网络基础上衍生出一些具有更佳性能的补偿网络。LCL谐振补偿网络结构,通过调节网络参数可实现恒流充电模式与恒压充电模式的自动切换,传输效率可达到92%。

    在LCL拓扑网络基础上,衍生出了LCC拓扑,经证明,双边LCC拓扑网络可解决双边LCL拓扑网络传输功率偏小和直流磁化等问题,并在双向电动汽车无线充电应用中具有较强的适用性。有学者提出S/CLC补偿拓扑可实现恒压输出、零输入相位以及零电压开关,并且最大输出功率不受耦合参数限制。

    耦合线圈是实现能量传输的核心元件,在静态充电系统中,基于能效最优的耦合线圈材料、形状、尺寸和匝数等参数优化是目前已有文献中主要的研究方向。

    有学者选取利兹线绕制方形耦合线圈,并采用了Z型串联结构,在最优工作频率为55kHz时,传输距离在8~15cm内,系统最高传输效率可达85%以上。

    有学者则采用螺线管来绕制耦合线圈,并增加了耦合线圈的匝数,其系统在7kW的功率等级,传输距离16cm下,效率可达93.8%。此外,有学者对DD型能量发射线圈,BBP、DDQ型能量接收线圈进行了研究。

    与静态充电相比,动态供电系统较为复杂,主要体现在发射线圈的结构与工作线圈的切换。集中供电导轨和分段供电导轨结构是目前发射端主要供电结构,前者根据磁心形状线圈可绕成E型、U型、W型、I型、S型和dq型。

    其中,E型、U型和W型是研究较早的三种结构,主要集中在传输参数的优化;dq型双向供电导轨结构可有效解决受电体受电过程中的耦合系数为零的情形;I型和S型结构为双极性磁心,能量耦合路径沿受电体移动方向,提高了横向偏移容忍度和传输效率,同时在建造难度和经济成本方面具有优势。

    分段供电导轨一般采用多线圈单元并行连接切换供电方式,可显著降低系统损耗,但对检测和控制系统的灵敏度、稳定性和可靠性具有很高要求。有学者针对系统传输的稳定性,提出了利用基于磁场强度检测的接收端定位策略(测量周期为6ms,分辨率为5mGs)的分段导轨结构,与单初级绕组系统相比,功率提升25%,效率提升7%。

    对于分段供电导轨的切换问题,学界从不同的方面进行研究,有学者针对分段式动态无线充电系统的原边线圈链供电管理的需求,提出了一种基于副边主动激励的具有分散控制逻辑的接力方法,在实验中,当原边直流电源供给功率约为50W时,系统传输效率为72%。有学者则针对快速切换导轨时可能出现的过电流、过电压等问题,提出一种基于能量自由振荡模式的电动汽车无线供电导轨切换方法,实现了供电导轨的软切换。

    电磁耦合系统中的电磁屏蔽主要是将电磁能量交换路径束缚在耦合线圈间,从而最大限度地减小漏磁,提高传输效率。

    从屏蔽材料看,有学者通过有限元计算和实验验证了耦合机构外加铁氧体屏蔽后,传能区域内的磁场被约束在发射耦合机构与接收耦合机构之间,提高了传输效率,其设计的带有铁氧体屏蔽结构的传输系统在传输距离为0.40m,轴向偏移0.3m,功率从200W增加到2 500W情况下,效率稳定在80%左右。有学者提出了一种铁磁性和非铁磁性混合材料制成的屏蔽结构,其实验传输系统在56kHz、传输距离6cm时,系统传输效率稳定在72%,仅装有铝板的系统效率只有2%。

    从屏蔽结构看,有学者设计了一种拼接式的电磁屏蔽结构,与整体平面型相比具有更佳的屏蔽能力且易制造和安装,采用该结构的传输系统效率为90.94%,功率可达1297.69W。有学者提出在能量发射装置水平侧加屏蔽带的屏蔽结构,该结构可有效降低电动汽车外部的电磁辐射,但整体结构因涡流效应产生的热量对系统影响较大。

    从屏蔽方式来看,有学者提出一种无耦合单线圈产生抵消磁场主动屏蔽的方式,其系统在传输距离15cm时,系统效率高于85%。有学者同样利用主动屏蔽的方式但创新性地提出了一种利用双线圈和四个电容作为移相器的新型共振无功屏蔽,当采用双线圈屏蔽时,与没有屏蔽的情况相比,在地面以上0.15m处,总磁场大幅减小80%。

    此外,与单线圈屏蔽相比,双线圈屏蔽在离地0.15m处的总磁场减少最多70.4%。在此基础上,有学者结合磁性材料的磁通路径和抵消磁场主动屏蔽方式,提出一种组合方法来实现电磁屏蔽,实验中在额定功率800W,无线线圈之间的间隙距离为30mm,无线功率传输效率为83%。

    2)控制策略

    系统鲁棒控制策略研究是保证无线输电系统可靠性、稳定性和高效性的必然要求。目前系统控制方法可分为原边控制、副边控制和双边控制三种。原边控制可实现控制原边谐振电流简化系统结构以及产生恒定交变磁场实现输出功率鲁棒控制等。

    有学者均对副边控制策略展开研究,前者基于副边DC-DC转换器提出最大效率控制,提高了传输效率;后者基于副边可控整流和滞后比较器实现了对输出功率或最大效率的控制。双边控制可分为双边通信控制和双边无通信控制。

    有学者将原副边相结合,提出基于工作频率调制和双边无线通信的闭环控制方法,实现对电池的无线充电。有学者提出无需双边通信的功率和最大效率双参数同步控制方法,通过DC-DC变换器调节副边等效交流阻抗以及搜索原边输入功率最小值,实现最大效率控制和输出恒功率控制。

    对于动态无线电能传输的鲁棒控制策略,采用PI控制算法,控制参数一般通过极点配置法选取,较为简单且易于实现。但是目前文献资料中的建模与控制研究通常忽略电动汽车动态无线供电实际应用的复杂环境中的多种不确定扰动因素,因此研究面向实际应用工况的系统动态响应特性以及多参数扰动下快速鲁棒控制器极其重要。

    3)技术应用

    电动车辆静态无线充电技术已相对成熟,并且宝马、奥迪、丰田、吉利等各大汽车产商已经开始在电动车型上加载,见表2。此外,2019年11月,绿驰汽车宣布将在2020年推出搭载智能无线充电模块的纯电动SUV(内部代号:绿驰M500)。

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    表2 无线充电应用车厂及车型

    相比之下,电动车辆动态无线供电技术的成熟度较低,国内外均处于样机研制和示范工程建设阶段,距离市场化应用仍有很多关键问题需突破。

    2018年8月3日,国家电网有限公司重点科技项目“电动汽车路段移动式无线充电系统关键技术及设备研制”暨“电动汽车移动式无线充电实验路段”顺利通过验收。实验路段长度181m,移动式无线充电功率20kW,转化率达到80%,磁场强度远低于国际标准27◆T,行驶速度可超过60km/h。

    2018年10月18日,江苏同里综合能源服务中心建成,“三合一”电动汽车动态无线充电道路亮相。这条公路全长约500m,宽3.5m,它集路面光伏发电、动态无线充电、无人驾驶于一体,是目前世界上最长的动态无线充电道路,如图7所示为电动车辆无线输电的应用。

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    图7 电动车辆无线输电的应用

    02 轨道交通

    基于轨道交通运行主要以动态无线供电方式为主的特点,科研工作者从满足安全性、可靠性、稳定性和高效性出发,对基础理论和关键技术进行了深入研究,应用对象主要为轻轨机车和高速列车。

    庞巴迪公司已经建立了轻轨机车的无线电能传输的实验路段,全长共510m,原边采用分段线圈供电,每段长8m。有学者提出了基于轻轨机车供电位置的频率跟踪方法,实验结果表明,该方法能够增加输出电压的稳定性。有学者分析了全桥整流器对系统的影响,发现可通过消除其输入阻抗提升系统效率。

    为了轨道机车制动形成的再生能量能够被有效利用,有学者提出了双向无线能量传输系统方法,将制动能量回馈给电网。

    在国内,天津工业大学首次提出将无线电磁能传输技术应用在高铁列车场景,并相继提出可用于高铁列车的非对称耦合机构和高频信号采集方案;韩国铁道技术研究院在150m实验线路上对其研发的HEMU(high-speed electric multiple unit)进行测试并且试验成功;日本东京铁道技术研究所将8字形耦合机构装设在导轨与列车底盘,列车运行过程中获得了稳定的传输功率。

    综上,静态无线充电和动态无线供电技术在交通运输领域的应用是目前研究中的热点,其中,受电体静止下的无线充电较为成熟,并且部分技术已实现产品转化。相比之下,在移动状态下的动态受电研究由于系统的复杂性、应用环境的多变性以及实验成本高等因素进展较为缓慢,目前还处于样机和示范工程阶段,距离可产业化推广的成熟应用产品还存在很多需要突破的难点。

    从理论角度看,存在动态耦合系统优化、高速运动下供受电端之间的电动力、时空参数动态响应和不同功率等级下电磁兼容与生物安全性等问题。从技术角度看,存在系统互操作性与工作稳定性、电源响应快速性、环境异物检测和位置自动对准等问题。从建设与运营维护角度看,行业标准缺失,前期建设成本高和设备检修难度大等问题需要解决。

    4 工业机器人

    随着工业制造强国战略的提出,信息技术、新能源、新材料等技术的交叉融合取得了革命性突破。无线电能传输技术作为一种新型、高效和可靠的电能供给方式,在工业机器人领域得到广泛关注,加快了我国实现智能制造的进程。

    自主导引运输车(Automated Guided Vehicle, AGV)、巡检机器人、物流分拣机器人和服务机器人采用无线充电技术具有安全、灵活、持续供电的优势,弥补了有线供电方式的诸多不足,其原理主要采用静态感应耦合技术,研究方向主要集中于针对不同应用场景的机器人无线充电解决方案。

    有学者通过信号采集与驱动控制,设计了自主寻源并在十几秒内快速完成自主充电的机器人。针对物联网中多传感器供电问题,有学者搭建移动机器人为传感器电池充电的框架,与现有方法相比大大降低了维护成本和操作复杂性。

    对于组成系统的关键模块与传输特性,有学者提出了适合移动机器人充电的线圈结构和逆变电路,并解决了充电站与机器人之间资源优化配置问题。有学者研究了巡检机器人的电路拓扑、偏移、电磁干扰等问题,并在满足最大输出功率条件下,使系统传输效率达到84.2%,实现了能量的高效供应。

    有学者解决了巡检机器人频繁充电、安全性低等缺陷。有学者研究了寻轨机器人无线充电系统等效电路、补偿网络设计、软开关设计等,并对电力电子器件的性能做了仿真与实验研究。

    综上,目前工业机器人无线电能传输技术主要以静态谐振式系统为主,并且在机器人静态下的无线充电较为成熟,但机器人充电路径快速识别、发射线圈的精确定位和不同应用负载的功率输出控制等仍需要进一步研究。

    5 物联网

    无线充电可解决几十或几百个物联网设备远距离供电问题,适用于智能家居、智能穿载装置、智能车载系统、智能制造工厂、智能城市与医院等应用场景,被称作可为物联网带来革命性突破的关键技术。

    从理论研究看,有学者研究了物联网传感节点的无线供电,并设计了一种针对传感器射频的无线供电系统。在此基础上,有学者设计了一种通过射频能量发射器为物联网设备充电的系统,并采用回声状态网络框架,结合改进的k-means聚类算法预测出下一时段的能量消耗,对传感器节点进行聚类,自动确定充电策略,大大增强了功率控制的抗干扰能力,提高了整个网络的能量效率。

    有学者提出了一种带有附加搜索技术的分枝次优效率算法,通过计算确定出基于无线射频移动充电器的最优运动路径,使无线充电效率达到最佳状态。有学者研究了在频率和相位同步和非同步两种状态下的分布式无线功率传输系统的性能,发现只要在系统中形成最优的分流波束,分布式无线充电在覆盖概率上就更具优势,功率传输效率也会得到显著地提高。

    从成果转化看,美国科技公司Ossia开发出一款名为Cota的无线充电器,可为多台设备供电并在数米范围内实现控制,如图8所示。

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    图8 Cota无线充电器

    综上,物联环境中信息传感设备需求功率等级一般较小,在无线电能传输系统中效率参数要求较低。因而,针对物联网不同使用情境,缩小接收线圈尺寸与有效距离的比例、突破充电角度与方向限制、满足众多装置同时充电需求是物联环境设备无线充电中需要解决的突出问题。

    6 水下探测设备

    水下探测设备和水下机器人等水下设备的持续供电一直是军用和民用领域研究的重要问题。目前广泛采用有线供电或电池蓄能供电的方式,这两种方式在灵活性、续航能力、自身体积和质量上具有不足。因此,无线电能传输技术在这种特殊环境下的应用具有不可代替的优势。

    有学者最早对无线电能传输技术的水下应用展开研究,研制了自主式水下运载器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)电能供给系统,利用导航和对准系统对水下基站的能量接收装置供电。

    有学者提出一种水下大功率无线电能传输系统的设计方案,可实现kW级的无线供电功率,无线电能传输效率达94.5%,距离为20cm。有学者为抑制水流冲击对系统造成的影响,从不同方面对系统进行了优化。有学者通过对比分析发现,SP补偿拓扑具有更好的稳定性和较高的输出功率。

    有学者则对水下电磁耦合器结构进行研究,提出一种参数优化方法,能够有效提升系统效率和稳定性。有学者提出了基于锁相环控制的AUV非接触式充电系统的频率控制方法,使系统始终在谐振点工作。有学者为解决水下环境对传输距离的限制,提出带有中继线圈的三线圈传输系统,并对系统的传输特性进行了分析。

    有学者通过数学建模和数值计算,设计了一种能够实现水下功率传输和数据传输的非接触式装置。有学者基于超声波共振方式的水下无线能量传输的原理、可行性进行了初步的分析探讨,给出了实现的原理框图及实现方式。有学者对电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合机构进行分析,得出水下耦合机构的等效电容值比在空气环境中大,且增大工作频率和接收端负载,可以减小耦合机构的损耗。

    有学者对海水中电磁场的传播问题进行讨论分析。有学者在此基础上,推导了海水环境下的涡流损耗的近似公式并对传输系统进行损耗分析,结果表明,共振式无线电能传输系统在海水中也具有很大前景。

    综上,无线电能传输系统应用于水下环境具有不稳定性。能量的收发端由于水流影响,相对位置偏移和距离不断改变,会导致系统能效下降;能量收发端通过高频电磁场实现能量的交换,海水作为良导体会产生涡流,造成能量损失;深海高压环境变化铁氧体磁导率下降,影响系统传输参数。

    因此,综合考虑海水介质、涡流和压力等因素作用,通过多物理场耦合分析,研究适合于水下应用的稳定、高效无线电能传输方案极其重要。

    7 航空航天领域

    微波和激光无线电能传输方式是航空航天领域研究的重点内容。

    01 无人机

    无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是一种通过无线电实时遥控或者自身事先存储好的程序来控制的,具有携带多种功能设备执行各种任务的能力,并且能够多次利用的无人驾驶航空器。凭借尺寸小、成本低、灵活性高、适应性强等独特优势,广泛应用于民用和军事领域。

    然而,由于储能电池以及传统供电方式的限制,具有长续航能力的无人机仍然是难点问题。科研工作者继而采用无线电能传输技术在无人机能量补给方式上进行了研究。

    根据已有文献资料,无人机无线供电技术的研究主要基于中等传输距离的磁耦合谐振传输机理,从传输模式、传输特性、耦合结构等方面展开,研究无人机在静止下或悬停式的无线充电方法如图9所示。可见,目前的研究进展难以为在飞行状态下的无人机进行远距离实时无线供电,各国机构正在研究利用微波、激光无线电能传输技术实现这一目标。

    学术综述:无线电能传输技术应用研究现状与关键问题

    图9 无人机的无线充电

    综上,无人机的无线充电研究已经取得诸多成果,但实现无人机飞行状态下的实时电能供给还需要进一步研究,其中,具有极大前景的研究集中于微波和激光无线电能传输方式。

    02 太阳能卫星电站

    无线电能传输技术在设计与开发宇宙飞船、导弹、航天站等航天航空领域具有巨大的应用前景,研究内容主要集中在微波无线传能系统和激光无线传能系统。

    微波无线传能技术主要应用于太阳能卫星电站,在太空把太阳能转化成电能,再通过微波将电能送到地面的接收装置,再将所接收的微波能束转变成电能供人类使用。

    有学者提出了整流天线串并联组阵等效模型,得出了串联阵与单元负载成n倍数关系,并联阵与单元负载成1/n倍数关系的结论。有学者研究了发射天线口径的激励电平分布,得出发射口径的激励电平为削尖分布时,可获得大于95%的波束捕获功率,比高斯10dB电平分布高2.7%。

    有学者针对战场电磁环境复杂度量化评估的问题,提出一种机载航空电子系统面临电磁环境复杂度的量化评估方法,在考虑无法判定工作状态区域上的数据处理中,与传统的电磁环境复杂度评估方法相比,效果提升15.7%。

    2018年,我国首个空间太阳能电站实验基地在璧山启动,预计在2025年后可大规模执行相关工作。2019年,美国国防承包商诺斯罗普-格鲁曼公司表示会和美国空军研究实验开发一套带有太阳电池板的卫星系统,用于太阳能卫星电站。

    激光无线输电系统基于光电效应,以激光束为能量载体,对远距离用电设备进行无线供电,可应用于空间站舱外应急、在轨维护系统、模块/分布式航天器互连供电。

    有学者针对分离模块航天器系统特点和任务需求,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案。有学者设计了基于光楔-曲面镜-棱镜组的线阵半导体激光束整形系统,整形后的激光光斑尺寸为9.9cm×9.6cm,能量均匀度为68.9%,系统能量传输效率为71.3%。

    有学者选取正态分布对辐射的剂量率和单位辐射剂量造成的性能退化量进行描述,获得了卫星光通信系统中半导体激光器的可靠度函数。有学者讨论了基于激光的电力传输系统的规划、激光选择和测试、激光危险分析和探测器选择。

    综上,微波无线传能和激光传能方式还处于初级阶段,前者在系统整体转换效率、能量接收线圈自动跟踪、电磁环境兼容和生物安全问题等方面是重点关注点;后者由于激光束在空间环境传输无大气损耗和气候、大气湍流等影响,在航空航天领域的应用具有明显优势,研究重点包括激光光束控制技术和激光光伏电池结构设计等。

    无线电能传输技术研究成果

    无线电能技术在近10年处于迅速发展的阶段,取得了大量的研究成果,促进了无线电能传输技术在不同领域的快速产业化。下面对各国近年来取得的成果进行概述。

    1 已发表相关文献资料

    在Web of Science核心数据库中以无线电能传输技术和功率传输为检索词,能看到近十几年该领域发表的相关文献总体呈增长趋势,其中,2015年出现快速增长,并且在全球范围内,我国发表的相关文献最多,WPT相关文章在SCI中的收录情况如图10所示。

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    图10 WPT相关文章在SCI中的收录情况

    选取2017~2019年发表的1070篇文献进一步分析。近三年,国内外在信息与能量同步传输、系统控制算法和耦合机构设计三方面发表的相关文献所占比重分别达到了22.61%、21.16%和29.28%。基于实际应用场景研究成果总量有311篇,其中以传感器、电子设备、电动汽车领域为主,如图11所示。

    在2017~2019年发表的无线电能传输技术相关的1070篇论文中,共有15篇高被引论文(ESI高被引论文:近10年内发表的SCI论文且被引次数排在相应学科领域全球前1%以内)。其中,中国研究成果比较领先,达到了8篇。图12为15篇论文所涉及研究内容分布情况,其中,信息与能量同步传输方向的论文数量达到了7篇。

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    图11 WPT论文相关情况

    对无线传能领域进行检索,共得到三组Research Front高频词组(ESI研究前沿(research front):通过聚类分析测度高被引论文之间的共被引关系所形成的一组高被引论文,再对这组论文题目分析而得出的研究前沿),主题分别为信息与能量同步传输、大功率无线电能传输、医疗植入式设备的无线电能传输。

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    图12 WPT相关的高被引论文相关情况

    图13为以2010~2014年周期内Top Paper的数量为基准,描绘的三个主题的发展趋势。从图中可知,信息与能量同步传输、大功率无线电能传输一直保持着良好的发展态势,在近五年的成果是2010~2014年的2.63和1.76倍,而医疗植入式设备的无线电能传输相关成果较少。

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    图13 研究前沿的发展情况

    2 已申请相关专利

    10余年来,国内外科研工作者基于科技成果转化,面向具体应用领域,取得了诸多成果。本文依据国家专利局的专利检索与服务系统的检索数据,对2007~2019年国内外针对无线电能传输技术的专利成果进行了深入分析。

    2007~2019年国内外无线输电技术相关专利的申请量随年度变化情况如图14所示。由图14可知,2007~2017年国内外无线电能传输技术相关专利申请总量随年度逐年增长。尤其在2015~2017年期间,其申请量总量的数量最多,2018、2019年申请量出现明显下滑。从各国专利申请量分布看,美国、中国、韩国、日本专利拥有量较多。

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    图14 2007~2019年国内外无线输电技术相关专利的申请量随年度变化情况

    本文对近五年被引用专利数量较多的美国、韩国和中国进行了统计,如图15所示。由图15可知,美国、中国、韩国和日本被引用次数1~10次专利数量分别为602项、553项、190项和77项,只有美国有10项专利的被引用次数超过了50次。从结果看,无线电能传输领域的高被引专利数量总体较少,美国高被引专利在国内外处于领先地位。

    2015~2019年申请专利总量在不同领域和研究内容的分布情况如图16所示。由图16可知,2015~2019年专利总量主要分布在交通和电子设备应用领域,占比分别为37.24%和27.79%;从研究内容看,主要集中在磁耦合机构、控制策略、电路拓扑、信息与能量传输四个方面,占比分别为31.67%,19.93%、17.83%和14.66%。

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    图15 2015~2019年度专利被引用情况

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    图16 2015~2019年申请专利总量在不同领域和研究内容的分布情况

    对占据专利总量比例最大的交通领域在2015~ 2019年年度申请数量与各国分布情况进行分析,如图17所示。由图17可知,在交通领域国内外相关专利申请总量依然是美国、中国、韩国、日本占据前四位,但四国之间的数量差距不大。

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    图17 2015~2019年度交通领域专利申请各国分布情况

    综上,2007~2017年无线电能传输技术相关研究成果国内外呈快速增长的趋势,2018年至今有小幅下滑;美国、中国、韩国和日本的相关成果在国际上处于领先地位。从检索到的文献资料和专利看,近三年,国内外学者的研究内容主要集中于信息与能量同步传输、系统控制算法和耦合机构设计三方面,其中,信息与能量同步传输的发展态势良好。

    无线电能传输技术发展中的相关问题

    无线电能传输技术可应用领域广泛,从小功率到大功率、从低频到高频、从静态到动态均取得了可产业化的相关成果。为进一步促进无线供电相关产业快速发展,应面向实际应用领域,加快解决无线充电技术中的关键共性问题,面向无线充电产业链条,加快突破制约产业发展的卡脖子问题。

    1 无线电能传输技术在各领域应用中的关键共性问题

    01 多目标参数组合最优化

    无线电能传输系统的关键参数包括品质因数、耦合系数、发射阻抗和电源频率等时变参数,有学者研究了传输参数组合之间的影响关系,但均是定性分析。在无线电能传输系统的整体设计中,为使能效最大化,各参数对能效的解析关系以及参数间定量关系,是无线电能技术理论研究中的重要方面。

    02 电磁能量传输鲁棒性

    在静态无线充电系统中,耦合机构间隙中摄入金属异物(含导磁性金属),或者猫狗等活物侵入。在动态无线供电系统中,电磁耦合结构振动和受电线圈横向偏移在实际应用中不可避免,并且在不同环境条件下,对系统影响的剧烈程度不同,轻微影响会造成受电体受电品质下降,严重情况下会造成受电体功率器件损坏停止工作。

    因而研究抗外界扰动的磁耦合系统拓扑结构以及高鲁棒性控制方法,保证受电体稳定与可靠受电,是动态无线电能传输实现产业化的基本要求。

    03 多发射源多负载技术

    面向不同应用场景下负载的供电需求,电磁耦合系统结构存在一对一、一对多和多对多三种形式。因而在复杂环境中,多负载和多发射源各自之间的协同管理、负载自动充放电以及负载间相互影响是无线电能传输技术应用中需要解决的问题。

    04 电磁环境生物安全性

    电磁环境生物安全性一直是无线电能传输技术产业化应用中的重要问题。

    2000年,美国喷气推进实验室首先提出了太阳能发电卫星无线电能传输的安全问题,人和其他生命体若长期处在超过安全限值的电磁环境中,生体机能会被损坏。日本名古屋工业大学的研究团队基于MIT的无线电能传输系统模型,对电磁安全性进行了三个层次的研究。

    有学者基于2/3肌肉组织等效圆柱模型分析了系统S参数,得出开型线圈的系统相比于闭型线圈的系统受人体影响更大。有学者用准静态法近似系统的电场分布,通过计算人体组织等效模型位于该近似电场中固定点的比吸收率(Specific Absorption Ratio, SAR)值,分析系统的安全性。有学者采用准静态法分别近似估计系统电场和磁场的分布,通过计算基于几种不同的人体等效模型的SAR值,研究系统的电磁安全性。

    瑞士联邦理工学院电磁与声学实验中心及美国华盛顿大学针对线圈直径580mm、频率范围1~20MHz的无线电能传输系统和线圈直径范围20~150mm、系统功率5W、频率100kHz的小尺寸无线电能传输系统的电磁环境进行了全面研究。

    关于电磁安全性,国内研究较少,针对不同应用场景下的高强磁场对周围生物体的影响,尤其对人体的危害程度仍需进一步研究。

    05 相关产品标准化

    产品标准化是制约无线电能传输技术在不同应用场景下相关产品大范围推广的关键因素,目前已形成Qi标准、PMA标准和A4WP标准三大技术标准。

    2015年6月,PMA与A4WP两大阵营正式合并为AirFuel无线充电联盟,将相互兼容对方的无线充电技术标准,加速了无线充电在全球应用的普及。2016年5月31日,美国汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers, SAE)发布无线充电指南SAETIRJ2954,被视为电动车的无线充电标准。

    2018年12月29日,中国通信工业协会团体标准《移动终端无线充电装置》正式发布,对18kg及以下的无线充电装置的安全性、电磁兼容性、环境适应性和性能的相关要求和检测方法进行了规定 。

    针对不同应用场景的无线电能传输相关标准国内外高度重视。国外从小功率电子设备到大功率交通运输均出台了相关标准,我国针对不同应用场景的标准制定则比较缓慢,为了使我国基于无线电能传输技术的相关产品在产业化进程中摆脱国外的制约,必须加快标准的制定。

    2 无线电能传输技术产业化发展现状分析

    随着无线电能传输技术在各领域的快速渗透,无线电能传输产业链条上的各部分组部件厂商以及与之相关技术性公司发展迅速。中国产业信息研究网发布的《2017—2022年中国无线充电行业市场深度分析与投资前景预测研究报告》数据显示,无线充电市场2022年将达到140亿美元,渗透率提升到60%以上。

    从电动汽车应用领域看,根据国外研究机构Research and Markets预测,由于电动汽车和插电式混合动力汽车不断增长的需求带动以及无线充电系统制造商研发力度加大,电动汽车充电市场规模整体增长,预计至2025年,电动车无线充电市场规模预计达4.07亿美元,2020~2025年期间的年复合增长率将到117.56%。

    面向无线充电全产业链上的系统方案设计、芯片和磁性材料组部件、制造工艺等重要组成部分,美国、日本等国家对中国形成的技术壁垒依旧很强,图18为无线充电全产业链结构。

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    图18 无线充电全产业链结构

    基于此,我国面向无线电能传输技术全产业链条,亟需加强研发具有高技术参数、更高可靠性、更高安全运维的自主知识产权相关成果,推进我国无线充电产业在国内外从“跟跑、并跑到领跑”的转变,确保我国无线充电产业持续健康发展。

    结论

    本文首先对无线电能传输技术的原理和分类做了简要叙述,重点介绍了该技术在电子设备、医疗器件、智能家居、交通运输、工业制造等领域的应用水平、研究进展及其关键问题;其次对该技术的研究成果和相关专利进行了数据分析;最后总结了无线电能传输技术应用中出现的传输参数组合最优化、电磁能量传输鲁棒性、多发射源多负载技术、电磁环境生物安全性、相关产品标准化五大共性问题,并分析了无线电能传输技术产业化发展现状。

    以上研究成果发表在2021年第8期《电工技术学报》,论文标题为“无线电能传输技术应用研究现状与关键问题”,作者为薛明、杨庆新 等。

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