作者介紹

陳武，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow，東南大學(xué)先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備研究所所長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事大功率電力電子變換及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)。研究成果發(fā)表SCI/EI論文100余篇，出版專(zhuān)著5部。本文新出版的電力電子綜述和科普專(zhuān)著《循跡電力電子》一書(shū)內(nèi)容。

無(wú)線電能傳輸技術(shù)綜述

無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）又稱(chēng)為無(wú)線電力傳輸、非接觸電能傳輸，是指通過(guò)發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量，隔空傳輸一段距離后，再通過(guò)接收器將中繼能量轉(zhuǎn)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(huán)境適應(yīng)性以及顯著降低的觸電危險(xiǎn)，被美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)選為未來(lái)十大科研方向之一，已經(jīng)成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)研究方向之一。根據(jù)原理的不同，WPT技術(shù)主要分為磁耦合式、電場(chǎng)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(wú)線電能傳輸技術(shù)發(fā)展最為成熟，并在消費(fèi)電子、植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域獲得了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。這里主要簡(jiǎn)要回顧磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程。

磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)可細(xì)分為感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）和磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transmission, MCR-WPT）兩類(lèi)。

1891年，著名發(fā)明家、電機(jī)工程師、機(jī)械工程師特斯拉在其專(zhuān)利“System of electric lighting，US0454622”中提出了無(wú)線電能傳輸?shù)脑O(shè)想，其實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)a、變壓器P’-S’組成。G的頻率為5kHz，與第一個(gè)變壓器的原邊線圈P相連，經(jīng)過(guò)變壓器升壓后在副邊線圈S上產(chǎn)生高壓，電容C與S并聯(lián)，因此電容C上也產(chǎn)生高電壓，高電壓擊穿a點(diǎn)處的空氣隙，此時(shí)電容與第二級(jí)變壓器的原邊線圈P’形成回路，產(chǎn)生高頻振蕩，并且在副邊S’上感應(yīng)出高頻交流高壓，該電壓與燈泡以及對(duì)地電容后形成放電回路，用以點(diǎn)亮燈泡。

圖1.特斯拉于1891年提出的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)原理圖

1901年，特斯拉在在美國(guó)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)十英里的遠(yuǎn)距離無(wú)線電能傳輸，并提出了一個(gè)大膽的構(gòu)想：把地球作為導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起低頻共振（特斯拉在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)地球的共振頻率接近8Hz，1952年德國(guó)科學(xué)家舒曼在研究地球及其電離層的系統(tǒng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)這個(gè)共振頻率，后來(lái)稱(chēng)之為舒曼共振），利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電力，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)線電能傳輸，如圖2 (b)所示。雖然這些實(shí)驗(yàn)和構(gòu)想由于資金等原因最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但是后世科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)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(wú)線電能傳輸設(shè)想

1894年，M. Hutin和M. Leblanc也獲授權(quán)一項(xiàng)軌道交通無(wú)線充電系統(tǒng)的美國(guó)專(zhuān)利“Transformer system for electric railway，US0527857”，提出了牽引電車(chē)感應(yīng)供電技術(shù)，是現(xiàn)代電動(dòng)交通工具動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的雛形，其原理如圖3所示。圖中，發(fā)射端導(dǎo)線E由單根銅電纜構(gòu)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(chē)底部，與電容串聯(lián)后連接至牽引電機(jī)上，接收端首次采用了串聯(lián)電容的補(bǔ)償方式。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

圖3.Hutin和Leblanc提出的軌道交通無(wú)線充電系統(tǒng)原理圖

在1960年，B. K. Kusserow將感應(yīng)供電方式應(yīng)用于植入式血泵中，開(kāi)啟了無(wú)線電能傳輸技術(shù)在植入式醫(yī)療設(shè)備供電中的應(yīng)用研究。隨后不久，J. C. Schuder等在哥倫比亞密蘇里大學(xué)進(jìn)行了名為“經(jīng)皮層能量傳輸”的研究項(xiàng)目。

1980年代末開(kāi)始，奧克蘭大學(xué)J. T. Boys教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)IPT技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，在基本原理、系統(tǒng)頻率分析和穩(wěn)定策略、功率控制策略、不同補(bǔ)償電路系統(tǒng)特性分析、能量與信號(hào)同步傳輸、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都進(jìn)行了深入的研究，對(duì)IPT技術(shù)進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。

J. T. Boys教授于1991年申請(qǐng)美國(guó)專(zhuān)利“Inductive power distribution system，US5293308”，首次系統(tǒng)地提出了感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)方法，如圖4所示。三相交流電經(jīng)過(guò)整流后得到直流電壓，經(jīng)過(guò)Buck變換器后，通過(guò)自激推挽式逆變電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射導(dǎo)軌與原邊線圈電容進(jìn)行諧振并輸出高頻正弦波電壓，該電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)射導(dǎo)軌。接收端安裝在車(chē)端，采用并聯(lián)補(bǔ)償方式，并采用E形磁芯進(jìn)行聚磁，接收線圈輸出經(jīng)整流和開(kāi)關(guān)模式控制給負(fù)載供電。不過(guò)受限于效率和成本等因素，J. T. Boys教授研究的感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的有效距離一般在數(shù)十厘米以?xún)?nèi)。

(a) 導(dǎo)軌側(cè)發(fā)射端

(b) 車(chē)載接收端

圖4.Boys教授提出的一種感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸方案

2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院 Marin Soljacic教授團(tuán)隊(duì)在中距離無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域取得突破，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示，由兩個(gè)銅導(dǎo)線構(gòu)成的線圈組成，線圈直徑60cm，線徑6mm，兩個(gè)線圈具有相同的自諧振頻率。發(fā)射線圈連接在高頻交流電源，接收線圈連接到一個(gè)60W的燈泡，距離2m可“隔空”點(diǎn)亮燈泡，電能轉(zhuǎn)換效率為40%，而距離為1m時(shí)效率高達(dá)90％左右。Marin Soljacic將該技術(shù)命名為“Witricity”(Wireless elecTricity)無(wú)線供電技術(shù)，也叫磁耦合諧振技術(shù)，即MCR-WPT，并用耦合模理論建立模態(tài)方程得到了系統(tǒng)的能量傳輸特性，成果發(fā)表以“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”在2007年《Science》雜志上發(fā)表。該項(xiàng)研究發(fā)表后，在國(guó)際上掀起了無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究的熱潮，各國(guó)學(xué)者紛紛加入了磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究隊(duì)伍中，加快了無(wú)線電能傳輸時(shí)代的到來(lái)。

圖5.Marin Soljacic教授團(tuán)隊(duì)的MCR-WPT無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置

需要指出的是，在MIT提出MCR-WPT技術(shù)后，很多研究人員起初認(rèn)為IPT和MCR-WPT的能量傳輸機(jī)理不同。2009年，華南理工大學(xué)張波教授在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)撰文指出，MCR-WPT技術(shù)是IPT技術(shù)在驅(qū)動(dòng)頻率等于磁耦合機(jī)構(gòu)的固有諧振頻率時(shí)的一種特例，此時(shí)其線圈回路阻抗達(dá)到最小值，因而有利于能量的高效傳輸。東南大學(xué)的黃學(xué)良教授分析對(duì)比了共振式WPT系統(tǒng)的兩種分析方法，即基于耦合模理論和基于電磁感應(yīng)原理的電路互感模型，確認(rèn)了兩者的等效性。由此，學(xué)術(shù)界逐步形成了MCR-WPT與IPT在磁場(chǎng)耦合本質(zhì)上相同的觀點(diǎn)，不再刻意區(qū)分兩者的不同。

無(wú)論是感應(yīng)還是諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)，其基本電路結(jié)構(gòu)均可用圖6表示，高頻逆變電路將直流電變?yōu)楦哳l交流電，經(jīng)過(guò)發(fā)射端補(bǔ)償后，通過(guò)磁耦合機(jī)構(gòu)傳輸至接收端，接收端經(jīng)過(guò)補(bǔ)償與整流后，供給直流負(fù)載。

圖6.磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例

自Qi協(xié)議推出后，無(wú)線充電技術(shù)在消費(fèi)電子領(lǐng)域迎來(lái)了指數(shù)性增長(zhǎng)。第一款搭載Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)是Sharp SH-13C，于2011年8月上市。隨后，華為、蘋(píng)果、三星等公司陸續(xù)將滿足Qi協(xié)議的無(wú)線充電方案應(yīng)用于手機(jī)、智能手環(huán)、無(wú)線耳機(jī)、平板電腦等。

海爾集團(tuán)聯(lián)合重慶大學(xué)孫躍教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“無(wú)尾電視”在2010年國(guó)際消費(fèi)電子展上推出，首次將磁耦合諧振技術(shù)、信號(hào)無(wú)線傳輸、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線連接3種技術(shù)進(jìn)行融合，可在距離1m的范圍內(nèi)將100W功率無(wú)線傳輸至電視接收終端。目前，海爾集團(tuán)研發(fā)部已經(jīng)開(kāi)始將無(wú)線電能技術(shù)應(yīng)用于各類(lèi)家電產(chǎn)品中，進(jìn)行產(chǎn)品的成套化和系列化開(kāi)發(fā)，形成海爾集團(tuán)的“無(wú)尾之家”整體解決方案。

在交通領(lǐng)域，1997年，德國(guó)Wampfler公司(現(xiàn)IPT Technology)與新西蘭奧克蘭大學(xué)合作，采用IPT技術(shù)研制了定軌觀光車(chē)，傳輸功率達(dá)到20kW。此后，Wampfler公司又逐步研發(fā)出應(yīng)用于觀光電梯、車(chē)間運(yùn)輸車(chē)輛的IPTRail技術(shù)，并在同一時(shí)期試驗(yàn)了長(zhǎng)約400m的150kW載人軌道車(chē)，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)速37.8km/h。

2007年，MIT馬林·索爾賈?？私淌谟趧?chuàng)立WiTricity公司，致力于跑車(chē)、轎車(chē)、SUV等不同類(lèi)型電車(chē)的無(wú)線充電解決方案，已研制出3.7kW、7.7kW和11kW無(wú)線充電系統(tǒng)，充電距離在9~28cm，充電效率在92~94%，其中線圈效率達(dá)到98%，配有停車(chē)位置錯(cuò)位補(bǔ)償功能，集成了異物與活體檢測(cè)(FOD、LOD)功能、支持WiFi無(wú)線通信，同時(shí)支持V2G功能，可與電網(wǎng)高效雙向互動(dòng)。2018年，寶馬推出搭載WiTricity技術(shù)的530e iPerformance車(chē)型。目前，WiTricity已與十幾家汽車(chē)巨頭聯(lián)合開(kāi)展研發(fā)項(xiàng)目，包括奧迪、特斯拉、三菱等。

從2009年起，韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)啟動(dòng)了在線電動(dòng)汽車(chē)(On-Line Electric Vehicles，OLEVs)項(xiàng)目，在高頻逆變器、低電磁輻射特性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、磁耦合機(jī)構(gòu)等方面取得了大量成果，至今已經(jīng)開(kāi)發(fā)了五代OLEVs系統(tǒng)，在韓國(guó)首爾、大田、麗水、龜尾等地進(jìn)行了測(cè)試和商業(yè)化運(yùn)行。

2010年11月，奧克蘭大學(xué)創(chuàng)辦的Halo IPT公司研發(fā)感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)，2012年10月被美國(guó)高通公司整體收購(gòu)，在2015年4月22日的FormulaE電動(dòng)方程式錦標(biāo)賽上，高通展示了自己研發(fā)的Halo無(wú)線汽車(chē)充電技術(shù)，2016年Halo IPT已經(jīng)具備了半動(dòng)態(tài)充電的能力，可在最高30mph的速度下進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。2019年2月，WiTricity公司收購(gòu)了Halo關(guān)于無(wú)線充電技術(shù)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，繼續(xù)推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

2018年，美國(guó)Momentum Dynamics公司推出了200kW動(dòng)態(tài)無(wú)線充電器，該系統(tǒng)由4個(gè)并聯(lián)的充電線圈構(gòu)成，每個(gè)提供50kW，安裝在比亞迪K9S上，利用停車(chē)間隙進(jìn)行充電，每小時(shí)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(chē)企開(kāi)發(fā)的3.3kW、7.2kW和10kW等不同功率等級(jí)的無(wú)線充電系統(tǒng)。

在國(guó)內(nèi)，西南交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院錢(qián)清泉院士的指導(dǎo)下，從2010年開(kāi)始在國(guó)內(nèi)率先提出并開(kāi)展了軌道交通大功率動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)的創(chuàng)新研究，致力于大功率無(wú)線供電技術(shù)在磁懸浮交通、港口AGV、特殊場(chǎng)景需求等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2013年10月，西南交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制國(guó)內(nèi)首臺(tái)40kW動(dòng)態(tài)無(wú)線供電軌道原理樣車(chē)。

2014年9月18日，由中興通訊股份有限公司、東風(fēng)汽車(chē)公司聯(lián)手打造的新能源汽車(chē)大功率無(wú)線充電公交商用示范線在湖北襄陽(yáng)正式啟動(dòng)并投入運(yùn)營(yíng)，是國(guó)內(nèi)首條無(wú)線充電商用示范線，該系統(tǒng)由南京航空航天大學(xué)陳乾宏教授負(fù)責(zé)研發(fā)，由兩個(gè)30kW無(wú)線充電設(shè)備串聯(lián)所構(gòu)成，新能源公交車(chē)在改造過(guò)的停車(chē)位?？亢缶涂梢赃M(jìn)行充電。

2016年，重慶大學(xué)與南方電網(wǎng)合作建設(shè)完成國(guó)內(nèi)第一條動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)示范線路。線路長(zhǎng)100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%~90%。

2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國(guó)家電網(wǎng)公司合作建設(shè)張家口張北縣電動(dòng)客車(chē)180m動(dòng)態(tài)無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)線。該系統(tǒng)采用2.4米分段式的發(fā)射導(dǎo)軌級(jí)聯(lián)方式，由4段發(fā)射導(dǎo)軌為一組，每組由一套電源進(jìn)行獨(dú)立充電。該試驗(yàn)線路電能傳輸距離為20厘米，最大偏移距離40厘米，在實(shí)驗(yàn)車(chē)輛運(yùn)行速度為40km/h的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)20kW的功率，總效率高于85%。

2018年10月，由東南大學(xué)黃學(xué)良教授團(tuán)隊(duì)、重慶大學(xué)孫躍教授共同設(shè)計(jì)建設(shè)的世界首條“三合一”電子公路在“一帶一路”能源部長(zhǎng)會(huì)議和國(guó)際能源變革論壇上精彩亮相，首創(chuàng)了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電、道路光伏發(fā)電、無(wú)人駕駛三項(xiàng)技術(shù)的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電力流、交通流、信息流的智慧交融，被譽(yù)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(guó)在新能源領(lǐng)域的科技實(shí)力，如圖7所示。

圖7.東南大學(xué)、重慶大學(xué)聯(lián)合研制的11kW電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)

2021年，孫躍教授團(tuán)隊(duì)建成了60kW電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)示范工程，該工程是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)功率等級(jí)最高的電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)式無(wú)線充電工程。建設(shè)充電道路總長(zhǎng)53米，最高效率達(dá)到86%，車(chē)輛內(nèi)部空間輻射小于5 μT，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)27 μT。

2023年1月7日，西南交通大學(xué)何正友教授研究團(tuán)隊(duì)研制的新型無(wú)線供電制式城軌車(chē)輛在中車(chē)唐山廠成功下線，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了城軌車(chē)輛供電制式由“有線”到“無(wú)線”的突破。

在電動(dòng)船舶領(lǐng)域，已經(jīng)商用化的無(wú)線充電系統(tǒng)較少。一方面，船舶對(duì)充電功率較大，達(dá)到MW級(jí)以上；另一方面，在充電操作期間，由于船舶的風(fēng)、波浪和吃水的聯(lián)合作用，以及響應(yīng)于裝載和卸載引起的傾斜和吃水的變化，岸邊的船舶會(huì)持續(xù)發(fā)生不規(guī)則的移動(dòng)，給平穩(wěn)可靠的充電帶來(lái)挑戰(zhàn)。2017年8月，芬蘭的瓦錫蘭（W?rtsil?）公司與瑞士凱伏特（Cavotec）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一套大功率船舶無(wú)線充電與系泊一體化系統(tǒng)，并在混合動(dòng)力的渡輪“MF Folgefonn”號(hào)完成了測(cè)試。該系統(tǒng)的岸基無(wú)線發(fā)射端可在船舶靠岸時(shí)與船體無(wú)線接收端吸合，既起到無(wú)線充電的功能，也起到系泊的作用。系統(tǒng)母線電壓1000V，充電功率1MW以上，充電距離高達(dá)50厘米，充電效率97%。這是全球首艘采用高壓大功率無(wú)線充電的商用電氣渡輪，如圖8所示。

圖8.全球首款電動(dòng)船舶高壓無(wú)線充電系統(tǒng)