作者介紹

陳武，教授，博士生導師，IET Fellow，東南大學先進電能變換技術與裝備研究所所長。長期從事大功率電力電子變換及其應用領域的研究工作。主持國家自然科學基金3項、國家重點研發計劃課題1項。研究成果發表SCI/EI論文100余篇，出版專著5部。本文新出版的電力電子綜述和科普專著《循跡電力電子》一書內容。

無線電能傳輸技術綜述

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）又稱為無線電力傳輸、非接觸電能傳輸，是指通過發射器將電能轉換為其他形式的中繼能量，隔空傳輸一段距離后，再通過接收器將中繼能量轉換為電能。相比有線的電能傳輸，WPT其具有更好的便捷性、靈活性、環境適應性以及顯著降低的觸電危險，被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一，已經成為當前電氣工程領域最活躍的熱點研究方向之一。根據原理的不同，WPT技術主要分為磁耦合式、電場耦合式、電磁輻射式、超聲波式、激光傳能等五種不同方式。其中，磁耦合無線電能傳輸技術發展最為成熟，并在消費電子、植入式醫療設備等領域獲得了大規模的商業應用。這里主要簡要回顧磁耦合無線電能傳輸技術的發展歷程。

磁耦合無線電能傳輸技術可細分為感應式無線電能傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）和磁耦合諧振無線電能傳輸技術（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transmission, MCR-WPT）兩類。

1891年，著名發明家、電機工程師、機械工程師特斯拉在其專利“System of electric lighting，US0454622”中提出了無線電能傳輸的設想，其實驗裝置的如圖1所示，由交流電壓源G、變壓器P-S、電容器C、電火花間隙開關a、變壓器P’-S’組成。G的頻率為5kHz，與第一個變壓器的原邊線圈P相連，經過變壓器升壓后在副邊線圈S上產生高壓，電容C與S并聯，因此電容C上也產生高電壓，高電壓擊穿a點處的空氣隙，此時電容與第二級變壓器的原邊線圈P’形成回路，產生高頻振蕩，并且在副邊S’上感應出高頻交流高壓，該電壓與燈泡以及對地電容后形成放電回路，用以點亮燈泡。

圖1.特斯拉于1891年提出的無線電能傳輸系統原理圖

1901年，特斯拉在在美國長島建成了著名的特斯拉塔，也叫沃登克里弗塔（ Wardenclyffe Tower ），如圖2 (a)所示，試圖實現數十英里的遠距離無線電能傳輸，并提出了一個大膽的構想：把地球作為導體，在地球與電離層之間建立起低頻共振（特斯拉在實驗中發現地球的共振頻率接近8Hz，1952年德國科學家舒曼在研究地球及其電離層的系統時也發現這個共振頻率，后來稱之為舒曼共振），利用環繞地球的表面電磁波來遠距離傳輸電力，實現全球無線電能傳輸，如圖2 (b)所示。雖然這些實驗和構想由于資金等原因最終沒有實現，但是后世科學家已經證實了該思路的可行性。

(a) 沃登克里弗塔

圖2.特斯拉建造的沃登克里弗塔及其全球無線電能傳輸設想

1894年，M. Hutin和M. Leblanc也獲授權一項軌道交通無線充電系統的美國專利“Transformer system for electric railway，US0527857”，提出了牽引電車感應供電技術，是現代電動交通工具動態無線充電技術的雛形，其原理如圖3所示。圖中，發射端導線E由單根銅電纜構成，放置于管道中，并埋在路面上的瀝青中，接收線圈G的繞組纏繞在鐵心上，安裝在電車底部，與電容串聯后連接至牽引電機上，接收端首次采用了串聯電容的補償方式。

(a) 主視圖

(b) 側視圖

圖3.Hutin和Leblanc提出的軌道交通無線充電系統原理圖

在1960年，B. K. Kusserow將感應供電方式應用于植入式血泵中，開啟了無線電能傳輸技術在植入式醫療設備供電中的應用研究。隨后不久，J. C. Schuder等在哥倫比亞密蘇里大學進行了名為“經皮層能量傳輸”的研究項目。

1980年代末開始，奧克蘭大學J. T. Boys教授領導的研究團隊對IPT技術進行了系統性的研究，在基本原理、系統頻率分析和穩定策略、功率控制策略、不同補償電路系統特性分析、能量與信號同步傳輸、系統穩定性等方面都進行了深入的研究，對IPT技術進步作出了重要貢獻。

J. T. Boys教授于1991年申請美國專利“Inductive power distribution system，US5293308”，首次系統地提出了感應式無線電能傳輸系統的結構與參數設計方法，如圖4所示。三相交流電經過整流后得到直流電壓，經過Buck變換器后，通過自激推挽式逆變電路驅動發射導軌與原邊線圈電容進行諧振并輸出高頻正弦波電壓，該電壓驅動發射導軌。接收端安裝在車端，采用并聯補償方式，并采用E形磁芯進行聚磁，接收線圈輸出經整流和開關模式控制給負載供電。不過受限于效率和成本等因素，J. T. Boys教授研究的感應耦合式無線電能傳輸技術的有效距離一般在數十厘米以內。

(a) 導軌側發射端

(b) 車載接收端

圖4.Boys教授提出的一種感應式無線電能傳輸方案

2007年，美國麻省理工學院 Marin Soljacic教授團隊在中距離無線電能傳輸領域取得突破，該團隊設計的實驗裝置如圖5 所示，由兩個銅導線構成的線圈組成，線圈直徑60cm，線徑6mm，兩個線圈具有相同的自諧振頻率。發射線圈連接在高頻交流電源，接收線圈連接到一個60W的燈泡，距離2m可“隔空”點亮燈泡，電能轉換效率為40%，而距離為1m時效率高達90％左右。Marin Soljacic將該技術命名為“Witricity”(Wireless elecTricity)無線供電技術，也叫磁耦合諧振技術，即MCR-WPT，并用耦合模理論建立模態方程得到了系統的能量傳輸特性，成果發表以“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”在2007年《Science》雜志上發表。該項研究發表后，在國際上掀起了無線電能傳輸技術研究的熱潮，各國學者紛紛加入了磁耦合無線電能傳輸技術研究隊伍中，加快了無線電能傳輸時代的到來。

圖5.Marin Soljacic教授團隊的MCR-WPT無線電能傳輸實驗裝置

需要指出的是，在MIT提出MCR-WPT技術后，很多研究人員起初認為IPT和MCR-WPT的能量傳輸機理不同。2009年，華南理工大學張波教授在中國電機工程學報撰文指出，MCR-WPT技術是IPT技術在驅動頻率等于磁耦合機構的固有諧振頻率時的一種特例，此時其線圈回路阻抗達到最小值，因而有利于能量的高效傳輸。東南大學的黃學良教授分析對比了共振式WPT系統的兩種分析方法，即基于耦合模理論和基于電磁感應原理的電路互感模型，確認了兩者的等效性。由此，學術界逐步形成了MCR-WPT與IPT在磁場耦合本質上相同的觀點，不再刻意區分兩者的不同。

無論是感應還是諧振式無線電能傳輸技術，其基本電路結構均可用圖6表示，高頻逆變電路將直流電變為高頻交流電，經過發射端補償后，通過磁耦合機構傳輸至接收端，接收端經過補償與整流后，供給直流負載。

圖6.磁耦合無線電能傳輸系統的基本電路結構

產業化應用案例

自Qi協議推出后，無線充電技術在消費電子領域迎來了指數性增長。第一款搭載Qi無線充電標準的手機是Sharp SH-13C，于2011年8月上市。隨后，華為、蘋果、三星等公司陸續將滿足Qi協議的無線充電方案應用于手機、智能手環、無線耳機、平板電腦等。

海爾集團聯合重慶大學孫躍教授團隊研發的“無尾電視”在2010年國際消費電子展上推出，首次將磁耦合諧振技術、信號無線傳輸、網絡無線連接3種技術進行融合，可在距離1m的范圍內將100W功率無線傳輸至電視接收終端。目前，海爾集團研發部已經開始將無線電能技術應用于各類家電產品中，進行產品的成套化和系列化開發，形成海爾集團的“無尾之家”整體解決方案。

在交通領域，1997年，德國Wampfler公司(現IPT Technology)與新西蘭奧克蘭大學合作，采用IPT技術研制了定軌觀光車，傳輸功率達到20kW。此后，Wampfler公司又逐步研發出應用于觀光電梯、車間運輸車輛的IPTRail技術，并在同一時期試驗了長約400m的150kW載人軌道車，設計運行時速37.8km/h。

2007年，MIT馬林·索爾賈希克教授于創立WiTricity公司，致力于跑車、轎車、SUV等不同類型電車的無線充電解決方案，已研制出3.7kW、7.7kW和11kW無線充電系統，充電距離在9~28cm，充電效率在92~94%，其中線圈效率達到98%，配有停車位置錯位補償功能，集成了異物與活體檢測(FOD、LOD)功能、支持WiFi無線通信，同時支持V2G功能，可與電網高效雙向互動。2018年，寶馬推出搭載WiTricity技術的530e iPerformance車型。目前，WiTricity已與十幾家汽車巨頭聯合開展研發項目，包括奧迪、特斯拉、三菱等。

從2009年起，韓國高等科學技術研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)啟動了在線電動汽車(On-Line Electric Vehicles，OLEVs)項目，在高頻逆變器、低電磁輻射特性、系統動態響應分析、磁耦合機構等方面取得了大量成果，至今已經開發了五代OLEVs系統，在韓國首爾、大田、麗水、龜尾等地進行了測試和商業化運行。

2010年11月，奧克蘭大學創辦的Halo IPT公司研發感應式電能傳輸技術，2012年10月被美國高通公司整體收購，在2015年4月22日的FormulaE電動方程式錦標賽上，高通展示了自己研發的Halo無線汽車充電技術，2016年Halo IPT已經具備了半動態充電的能力，可在最高30mph的速度下進行無線電能傳輸。2019年2月，WiTricity公司收購了Halo關于無線充電技術相關的知識產權，繼續推進該技術的商業化進程。

2018年，美國Momentum Dynamics公司推出了200kW動態無線充電器，該系統由4個并聯的充電線圈構成，每個提供50kW，安裝在比亞迪K9S上，利用停車間隙進行充電，每小時充電7-10分鐘，可使電池電量保持在75%左右。此外，Momentum Dynamics還為雪佛蘭等車企開發的3.3kW、7.2kW和10kW等不同功率等級的無線充電系統。

在國內，西南交通大學團隊在中國工程院錢清泉院士的指導下，從2010年開始在國內率先提出并開展了軌道交通大功率動態無線供電技術的創新研究，致力于大功率無線供電技術在磁懸浮交通、港口AGV、特殊場景需求等領域的應用研究。2013年10月，西南交通大學團隊成功研制國內首臺40kW動態無線供電軌道原理樣車。

2014年9月18日，由中興通訊股份有限公司、東風汽車公司聯手打造的新能源汽車大功率無線充電公交商用示范線在湖北襄陽正式啟動并投入運營，是國內首條無線充電商用示范線，該系統由南京航空航天大學陳乾宏教授負責研發，由兩個30kW無線充電設備串聯所構成，新能源公交車在改造過的停車位停靠后就可以進行充電。

2016年，重慶大學與南方電網合作建設完成國內第一條動態無線供電系統示范線路。線路長100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%~90%。

2017年，哈爾濱工業大學與國家電網公司合作建設張家口張北縣電動客車180m動態無線充電實驗線。該系統采用2.4米分段式的發射導軌級聯方式，由4段發射導軌為一組，每組由一套電源進行獨立充電。該試驗線路電能傳輸距離為20厘米，最大偏移距離40厘米，在實驗車輛運行速度為40km/h的情況下能夠實現20kW的功率，總效率高于85%。

2018年10月，由東南大學黃學良教授團隊、重慶大學孫躍教授共同設計建設的世界首條“三合一”電子公路在“一帶一路”能源部長會議和國際能源變革論壇上精彩亮相，首創了電動汽車無線充電、道路光伏發電、無人駕駛三項技術的融合應用，實現了電力流、交通流、信息流的智慧交融，被譽為“不停電的智慧公路”，充電功率11kW，最高效率90%，充分展示了中國在新能源領域的科技實力，如圖7所示。

圖7.東南大學、重慶大學聯合研制的11kW電動汽車動態無線充電系統

2021年，孫躍教授團隊建成了60kW電動汽車動態無線充電系統示范工程，該工程是當時國內功率等級最高的電動汽車移動式無線充電工程。建設充電道路總長53米，最高效率達到86%，車輛內部空間輻射小于5 μT，遠小于國家標準27 μT。

2023年1月7日，西南交通大學何正友教授研究團隊研制的新型無線供電制式城軌車輛在中車唐山廠成功下線，在國內首次實現了城軌車輛供電制式由“有線”到“無線”的突破。

在電動船舶領域，已經商用化的無線充電系統較少。一方面，船舶對充電功率較大，達到MW級以上；另一方面，在充電操作期間，由于船舶的風、波浪和吃水的聯合作用，以及響應于裝載和卸載引起的傾斜和吃水的變化，岸邊的船舶會持續發生不規則的移動，給平穩可靠的充電帶來挑戰。2017年8月，芬蘭的瓦錫蘭（W?rtsil?）公司與瑞士凱伏特（Cavotec）公司聯合開發了一套大功率船舶無線充電與系泊一體化系統，并在混合動力的渡輪“MF Folgefonn”號完成了測試。該系統的岸基無線發射端可在船舶靠岸時與船體無線接收端吸合，既起到無線充電的功能，也起到系泊的作用。系統母線電壓1000V，充電功率1MW以上，充電距離高達50厘米，充電效率97%。這是全球首艘采用高壓大功率無線充電的商用電氣渡輪，如圖8所示。

圖8.全球首款電動船舶高壓無線充電系統