研究前沿︱《无线输电关键技术及其应用》之一：发展趋势与应用领域
中国电机工程学会、武汉大学电气工程学院、华中科技大学电气与电子工程学院、广西大学电气工程学院的研究人员程时杰、陈小良、王军华、文劲宇、黎静华，在2015年第19期《电工技术学报》上撰文，随着科技的快速发展，无线输电技术逐渐引起了国内外的高度关注。首先介绍了无线输电技术的背景及国内外发展现状，然后对我国无线输电技术的发展趋势和应用前景进行了分析，论述了我国发展电磁感应的短距离、磁共振的中距离、微波无线输电技术和飞秒激光长距离无线输电技术的重大科学问题和关键技术，最后针对无线输电技术在我国电力设备制造技术、输电网发展、配电网发展、智能电网和新能源利用方面的研究发展与应用进行了探讨。
随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，从遍布世界各地的输配电线路网架到为工作中和家庭中的各类电气设备提供电能，采用金属导线直接连接来进行电能传输的接触式传输方式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式已经发展得十分成熟，但仍有不少问题难以解决。
传统电气设备的接触式供电因触点接触摩擦产生火花、绝缘与导体消损的问题，严重缩短电气设备的使用寿命，甚至对供电的安全性与可靠性产生威胁。不良电气接触连接会增加接触电阻，造成高温引起火灾，电气开关还会引起拉弧的危险[1]。
另外，传统的接触式电能传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，例如在矿井、油田和水下探测等场合[2]。在传统的接触式供电方式下，触点由于摩擦易导致电火花，在矿井和油田钻采中会增加爆炸的可能性，引发严重的危害。水下探测机器人需要频繁更换电池或采用水下电缆连接来提供足够设备运行的能源，给水下探测设备的正常运行和维护带来了许多不便。
给运动设备进行供电时，一般都采用滑动接触供电，但这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、积碳和不安全裸露导线等缺点[3-5]。海上的岛屿、边远山区和工作于山头的基站等交通不便、远离大电网、缺乏规范能源的地点，采用架设电线的传统配电方式成本过高，实现起来十分困难。
随着各种便携式电子设备广泛普及，新的问题也随之出现。电源插头频繁地拔插，容易发生触点的磨损、变形和老化，导致安全性得不到保障。不同电子产品的充电器生产规格标准不统一，而每个充电器都需要独立的插孔和配套电线，这样既造成了资源的浪费，在生产制造和垃圾处理环节也会污染环境。便携式电子设备需要频繁地充电，而各式各样繁杂的充电器和缠绕在一起的电线给人们的生活带来极大的不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便[6]。这些有线传输方式现存的问题需要一种无需导线连接的电能供应模式解决，而电力电子技术和电磁场理论的发展，使得无线输电的实用化成为可能。无线输电技术的引入将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广、方式更加多样化。无线输电技术利用了感应耦合、磁共振耦合、飞秒激光和微波等形式来来进行能量的传输，是一种安全、可靠、便捷的新型输电方式。
1无线输电技术的定义及原理（略）
2 发展趋势与应用领域
2.1基于专利统计的发展趋势分析
无线输电技术不断累积增多的相关专利数据，具有展示应用情况和指导研发方向的潜在价值。在无线输电技术的快速变化发展阶段，专利统计分析是一种能够有效地认识国内外技术发展状况、监控技术环境变化的方法，可以很好的把握技术动态、了解技术竞争力。
通过在国家专利局的专利检索与服务系统的检索，经过人工筛选后，得出国内外在短、中、长距离无线输电技术领域专利的申请量情况，从而绘制出国内外专利申请随年度变化的趋势图，图7是国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图，图8是国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图，图9是国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图。
图7 国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图
图8 国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图
图9 国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图
由图比对可以看出：在无线输电技术领域专利申请方面，国外比国内要早十多年，这说明国内在该领域内的研究较晚，但是从申请量方面来看，从2011年开始，国内的申请量超越了国外，而且申请量呈增长的趋势。国外从2012年开始申请量略微下滑，态势趋于平缓。国内研究的起点时间虽然晚于国外十多年，但是最近几年国内的研究势头远远的超越国外。
从申请时间可以看出国外的技术成熟度已经较高，专利申请量的下滑更可能是因为进入了一个新的发展阶段，更倾向于某些产品的实质应用推广，而不局限于大量地申请专利来保护潜在产品，不再是数量领先而是技术领先。
图10和图11是按照IPC分类方法分别统计的国内、外专利申请技术构成图，可以看出，国内H02（发电、变电或配电）大类占比45.81%、H04（电通信技术）大类10.05%，其他类占比较少，占比量相对均匀；国外H02（发电、变电或配电）大类占比也是第一位，但是所有的大类占比都相对均匀。对比国外的发展状况可以看出，国内在其他领域，尤其是B60（一般车辆大类）、H01（基本电气元件大类）、H04（电通信技术大类）这三类技术领域还有很大的发展空间。
图10 国内无线输电技术领域专利申请技术构成图
图11 国外无线输电技术领域专利申请技术构成图
专利分析更多体现的是无线输电技术的应用前景和可能的市场布局。经过对国外无线输电的进展状况，特别针对是2013下半年至2014上半年国外科技文献的调研，技术方面发展的趋势可以总结为更加可控、高效、安全、便携和美观，下面摘录一些国外无线输电最新进展的代表性工作简要介绍。
2.2最新进展
（1）新型材料的使用
超材料（Metamaterial）所指的是人工复合结构或复合材料，特点在于它们具有天然材料所不具备的超常物理性质。在材料的关键物理尺度上的进行结构特别的设计，能够突破某些表观自然规律的约束，如此获得超出自然界天然材料所具有的普通特性的超常材料功能。朱拉隆功大学（Chulalongkorn University）的Yan Zhao和EkachaiLeelarasmee分别采用了double negative material，μ-negative material和indefinite material (IM)三种超材料，制成薄片状用于放大特定的电磁波，从而达到增强共振耦合模式下无线输电效率的目的，其结构形式如图12所示[27]。
图12 IM薄片在双线圈WPT系统中的放置位置示意图
超材料与原有的材料制备相比，应用差别非常大，一般情况下都是利用自然中原本具有的材料来制造出相应的物品，但是超材料采用了独特的方式，结合逆向思维，在考虑制造出具有某功能的材料时，根据对于电磁波的具体投入使用后的需求。
倏逝波（Evanescent waves）指的是，在两种不同介质的分界面上因全反射引起得到的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，Yan Zhao和EkachaiLeelarasmee认为倏逝波在共振耦合无线输电中起着至关重要的作用，double negative material，μ-negative material和indefinite material (IM)三种超材料正是设计用于放大倏逝波的超材料。
利用这几种超材料的多层结构使得特定波长的电磁波形成近场聚焦，像透镜一样增强接收端的磁场。在经过仿真发现IM对于提升传输效率的效果最为明显，结果如图13所示[27]。
图13 IM薄片加入后对磁场分布影响的仿真结果
类似的还有杜克大学（Duke University）的Guy Lipworth， Joshua Ensworth，KushalSeetharam和Da Huang等人采用磁质超材料（Magnetic metamaterial）超级透镜，对近磁场进行集中，增加无线输电距离。实物如图14和图15所示，进行了13~16MHz的仿真并以实验证明了仿真的正确性[41]。
图14 磁性超材料和超级透镜集合
图15 线圈连接细节图
对于使用感应耦合方式的无线输电设备，例如手机充电垫，由于传能线圈的接收端距离发射端很近，发射端的驱动电路会产生频率在30MHz-1GHz的电磁波干扰，影响手机等便携式通讯设备的信号发送与接收。香港城市大学（City University of Hong Kong）Peng Wu， Fan Bai等学者使用了频率选择性表面（Frequency-selective surface）来抑制充电垫对外部的射频干扰，结构示意图如图16所示[30]。
图16 采用频率选择表面材料的充电装置结构示意图
之后他们选用GSM900和GSM850两种通讯系统进行了实测，实验数据表明手机对信号的灵敏度得到了提高，据此提出可以将表面选择性材料做成低成本的充电垫附件来解决目前充电垫的射频干扰问题。
（2）传能线圈结构
首尔大学（Seoul University）的学者Tae-Soon Chang提出了一种使用空腔谐振器进行无线输电的方法，并设计了一个中心频率在5.76Hz，传输效率高达75%的实例。在该传输方法中，发射端和接收端并非传统形状的线圈，而是镶嵌在谐振腔壁上的带线，其结构如图2.11所示[31]。
图17 谐振腔带无线输电装置装置结构示意图
韩国高等科技学院的（Korea Advanced Institute of Science andTechnology）的Wang-Sang Lee，Kyoung-Sub Oh和 Jong-Won Yu提出了一种新型发射线圈结构，是一种具有电容的电流控制线圈，如图18所示，（a）为传统的单砸发射线圈（b）带电容CL的电流控制线圈[33]。
图18 带电容的电流控制线圈示意图
采用这种线圈之后，通过调整电容值，可以控制正向和反向的循环电流的比例，这种方式解决了传输距离变化带来的阻抗不匹配问题，在0-7cm的距离内可以保持60%的传输效率，而并不需要接入额外的匹配电路，系统原理图如图19所示[33]。
图19 采用电流控制线圈之后的系统原理图
类似的，弘益大学（Hongik University）的Byung-Chul Park等人也提出了一种不敏感的共振传能线圈结构，如图20图21所示[38]。其中馈电线圈起着共振耦合方式中阻抗匹配的关键作用。呈120°夹角的是接收端共振线圈，另一个是发射端高Q值共振线圈。
图20 线圈结构示意图
图21 线圈结构实物图
东京大学（the University of Tokyo）的Wei Wei等人提出了一种双螺旋结构的共振传能模式，并且适合将线圈印制于廉价基材例如薄膜上。双螺旋共振线圈可以提供更高的峰值传输效率和更远的距离，该研究归纳了双螺旋谐振器的五个关键参数，并通过理论分析解释了双螺旋结构效率更高的原因。双螺旋共振线圈结构如图2.16和图2.17所示[43]。图2.16（a）为传统螺旋形线圈，图（b）为传统平面螺线型线圈，图（c）为双螺旋共振线圈。
图22 线圈结构示意图
图2.17双螺旋共振传能系统简化图
（3）应用方式的拓展
普林斯顿大学（Princeton University）的Warren Rieutort-Louis等人设计了一个基于光伏薄板的能量采集储存输出系统。由于低温大面积微电子元件的采用，使新型的层叠式电能采集储存输出装置成为可能，可以在一个薄膜结构上完成电能采集、管理、储存和交付华盛顿大学（University of Washington）的Benjamin H. Waters等学者提出一种接收端可以自由活动的共振传能方式，用于植入式心脏起搏器的供电，从而改善患者的生活质量。
这种可随意移动的充电装置一方面要求终端线圈必须足够小，可以舒适地佩戴在患者身上，同时供电系统高效地向电池充电。可供电的发射器由发射线圈，中继线圈，贴身线圈和接收线圈组成。
2014年，韩国高等科技学院某研究小组研究出一种无线电能供应技术，据物理学家组织网2014年4月17日报道，该校原子核与量子工程教授Chun T.Rim的团队展出了一种名为“双极线圈共振系统（DCRS）”的无线电能供应设备，这种设备使得感应电能传输的距离扩展成为可能，传输与接收线圈相距可达数米。
在2014年国际消费电子展(CES)上，恩智浦半导体展示了一种智能照明网络，该设备采用了无线充电技术并且安装十分便捷。
村田制作所日前研制出了“直流共振”无线电力传输系统的新技术方式。在该技术中，直流电的能量被转变为了电磁能，这样在能量的传输过程中使得转换效率得到有效提高，同时还可让传输过程中的能量转换次数大大减少，使得相关设备得到有效简化。
2.3应用领域
（1）交通运输
ICPT 技术在交通运输行业运用的最多，广泛应用于部分机车及电动汽车之中。准确进行能量的目标定位以及最大化的增大效率是ICPT 技术的主要难点。ICPT 技术在新西兰奥克兰大学所属奇思公司的研究下，被成功应用到了Rotorua国家地热公园的30kW 旅客电动运输车上[52，53]。而目前电动汽车在不断的发展过程中也有了多种相关的样品，图24是2012年日本Nagano市电动汽车现场试验的照片，图25是高通公司展示的电动汽车样品。
图24 2012年日本Nagano市电动汽车现场试验图
图25 2012年高通公司发布的电动汽车
在电动汽车充放电过程中采用无线充电技术，不但能够有效解决充电桩的建设问题，还能够缓和电动汽车充电过于集中的弊端，并且能够在电动汽车规模化以后，在很大程度上缓解其对电网的冲击。针对电动汽车的无线充电，国内外多家汽车厂商以及机构等都在迫切的进行研究，取得了较为显著的成果。
另外，作为电网关键的构成之一，电动汽车规模化以后亦可以储存电网的电能。采用无线充电，不仅能够极大增强电动汽车与电网间的互联，同时对智能电网的也具有显著的促进作用。
（2）医疗器械
随着WPT 技术的进步，医疗领域的电能供应模式发生了极大的改变，目前主要有ICPT 和RFPT（Radio Frequency Power Transmission）等方式进行体外电能供应。
RFPT是医疗领域采用最多的供能方式，在体外有一个线圈，体内亦有一个小线圈，利用两者之间的感应耦合输送电能，电能的主要传输方式其一是经表面皮肤输送能量，另外一种是直接输送电能。医疗系统中的消耗会随着植入装置的复杂化而增加，就采用电池而言，较短时间的植入式装置电能供应一般是满足要求的，但对于长时间式的植入装置常难以满足。
采用无线输电和光电能量供应方式可有效解决这个问题。电磁感应方式中若采用基于E类放大器供电后效率可达约70%，同时能够进行数据传输，但因电子设备的影响，RFPT技术易产生一些电磁兼容问题。对于不同的供电方式，我们可以考虑将它们结合起来使用。
图26 采用无线充电技术供电的深部脑刺激器
图26是采用无线充电技术供电的深部脑刺激器安装示意图。对于植入式医疗装置而言，其对功率的要求非常小，小至几十微瓦，功率较大的也仅几十瓦左右，经表面皮肤的直接电能供应以及植入式电池无线输电等是经常采用的几种方式。人体植入装置是无线输电的重点研究方向之一，采用无线能量传输方式后具有以下优势：
1）能量供应中消除了物理连接，有效解决了导线与皮肤直接接触的问题，进而可以在一定程度上防止因感染导致的炎症。
2）植入式电池消耗完后，以前必须手术进行电池的更换，现在采用无线充电可以有效解决这个问题，极大提高了患者的生活质量。
3）和人体皮肤之间没有直接的电气关系，无裸露的导线和接触机构，极大降低了触电的概率，有效解决了装置的安全问题。
4）无直接的摩擦，有效解决了机械上的损耗和电气销蚀问题，提高了供能的可靠性并减少了对设备的维护。
5）对于非接触变压器一次侧和二次侧来说，两者是松耦合的，因而两者在一定方位上错开时亦然可以正常运行，从而实现灵活供电，同时可以提升患者生活的舒适程度。
（3）便携通信
最近几年，便携通信对WPT的呼声也日渐高涨，并且不少高科技公司已经向该领域进军。结合匹兹堡大学研发的无源型RFID 技术，Power Cast 公司研发出了一种电波接收型能量存储设备，它采用了射频发射装置进行能量的传输。Splash Power 公司则深入研究了ICPT 技术，并取得了重大突破，研制出来了用于给手机电能供应的平台。在进一步的研究之下，香港城市大学的许树源教授开发出了多种便携式通信装置的电能供应平台，并且对成果进行了转化。
图27 WOW 5 Qi无线充电器在同一时间内对5个支持Qi标准的手机无线充电
图27给出了WOW5 Qi标准无线充电器在同一时间内对5个支持Qi标准的手机进行无线充电的照片。2012年，Nokia公司推出新一代Windows Phone 8系列手机，其搭载的无线充电技术作为手机的卖点之一，受到了测评媒体的广泛好评。据IMC Research预测，无线供电设备的出货量到2015年将达到1亿；经Pike Research研宄表明，无线供电市场规模到2020年将高达150亿美元，无线充电技术在不久的将来会极大改变我们每一个人的生活方式。
（4）航空航天
在航空航天和电力领域，微波电能传输（WPT）已经被广泛使用。随着WPT技术不断的深入研究，空间太阳能发电和卫星技术的也在不断推进和进步。对于空间太阳能电站而言，WPT 技术至今历经了多个发展阶段，多方面的技术都在不断革新和进步。
在以往，微波频率一般为2.45GHz，而现在微波频率已得到了极大提升，达到5.8GHz，进而大大缩减了WPT设备的体积，减少了成本。就MPT 技术的难题而言，主要存在传输效率低下、发射以及接收效率低、大气衰减剧烈等难点。对于完整的无线输电系统结构而言，电流到微波这一阶段的转换效率不高，因而提升微波发生器的转换效率至关重要。图2.22是空间太阳能电站的示意图。
图28 空间太阳能电站示意图
（5）水下探测
伴随着无线输电技术的逐步深入和进步，在工业行业已经体现出广泛的应用领域。在一些特殊的情况下如化工装置的检测、水下机器人、分布式传感器的能量供应等等，用电设备电能供应大多数采用更换电池的方法或采用电缆输送，使得相关装置的操作和维修比较繁琐，而采用无线输电可以有效解决以上问题，从而成为近几年来国内外一个新的研究热点。
WPT系统的重点应用方向之一便是水下探测。在这个方面，美国WiTricity公司进行了相关研究。具体实验如图29所示，主要采用ICPT技术。对于WPT设备在水中的应用，其额外阻抗和功率损耗，同轴变压器的研制准则，变换器原边和副边侧的电路结构与传输电缆的设计是几个重要的方面。
图29 水下无线充电研究实验
对于无线输电在水中的高频功率传输，重要的一点就是如何降低其能量消损。对于良好导体的海水而言，伴随频率的提升，其阻值也会逐渐提升。运行状态下频率升高，则海水导电范围会变小，电缆将是电流流经的重要通道，消损亦会大大提升。探索水下无线能量传输，海水可以视为与原边绕组同轴匝链的绕组，经由增添相应的耦合关系来限定电流的路径，丛而降低耦合海水的消损。水中无线能量传输可应用到深海的潜水、油田开发以及矿物开采等多个方面。同时对非核动力船只的续航能力有较大的加强作用。
（6）智能家居
图30 采用无线充电的家电产品
近几年来国内外对智能家居给予了很大重视，尤其是智能家电中能量的无线输送，这项科技凸显出巨大优点，成功的脱离了有线的制约，极大的方便了人们的生活，“无尾”设备已经渐渐成为人们生活的需求趋势。
Powercast公司开发了能够把无线电波转变为直流电的接收设备，能够在近1米距离内给多个电子设备供电，具体应用到采用无线电能供应的家电产品中如图30所示。