1.4　国内外无线电能传输技术研究进展

近年来，无线电能传输技术以其安全性好、可靠性高、维护费用低以及环境亲和性强等优点得到了快速发展，国外越来越多的学者和公司开始关注和发展非接触电能传输技术。目前新西兰、德国、美国和日本等国家相继投入大量的人力和物力，开展此领域的基础研究与实用技术开发，并针对一些特殊领域开发了相应的产品。

1.4.1　无线电能传输技术的研究现状

无线供电技术虽然已经诞生了100多年，但是无线电能传输技术的研究受到各国的重视却始于20世纪90年代后期。国外研究以新西兰为代表，该国奥克兰大学Pro. Boys及其领导的课题小组对该技术开展了系统深入的研究，日本、德国和美国等国也相继投入经费，组织科研人员在该领域展开科学研究，从事无线供电的应用产品开发，并取得一系列的技术成果和应用产品。2001年西安石油学院李宏教授在国内第一次介绍感应电能传输思想以来，部分高校进行了该技术的研究工作，一些公司、企业和个人也开展研究，目前取得的技术成果及应用产品较少，但发展进步速度很快。

无线电能传输系统的研究应用涉及领域广泛。从传输功率方面来说，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率甚至于磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。

2001年，比利时的G.Vandevoode指出高电压大功率情况下传输效率受初、次级线圈的耦合系数的影响比较大，而在低电压小功率的情况下，传输效率的影响因素以次级结构为主、耦合系数为辅。因此，对于传输功率大小不同的场合，参数要求和结构样式有着很大的不同。

对于小功率应用，结构设计上对初、次级绕组的阻抗参数、尺寸大小、次级整流电路等参数有着比较高的要求。简单地说就是次级部分尺寸足够得小、能耗少，部分应用还要求在能量波中载入信号波。

对于大功率电能传输，无线供电系统是一种适应全天候、安全、高效地进行电能传输的先进电能传输方法，弥补了传统的传导充电方法在适应性、安全性与自主充电方面的不足。功率开关器件和高性能磁性材料的诞生使得它在开关速度、大小及功率变换器的效率等方面得到了显著的改进，新的控制方法的出现和新型控制策略的改进进一步提高了变换器的效率。正因为有着众多的独到之处，无线电能传输技术在交通行业、采矿勘探及制造业等许多方面有着广泛的应用前景。

随着技术的成熟和应用上的进步，无线电能传输技术吸引了越来越多的研究者，其理论和应用范围都已经逐渐扩大，从而成为电力电子技术及应用上新的研究热点。新西兰在无线电能传输领域具有明显优势；美国和日本则后来居上，反映出其对新技术的敏感、重视及国家技术实力；德国、南非、韩国、英国、加拿大、中国的研究也有一定成绩。

美国、日本等国众多企业或研究机构竞相研发无线电能传输技术，探索无线电能传输系统在不同领域的应用，致力于将其实用化，目前，已获得了一定的技术突破，相应产品也陆续面世。美国电子信息企业对短距离电力传输技术给予极大投入。Power Cast 公司利用电磁波损失小的天线技术，借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等，实现了效率较高的无线电力传输，将无线电波转化成直流电，并在约1m范围内为不同电子装置的电池充电。Palm 公司将无线充电应用在手机上，推出充电设备“触摸石”，利用电磁感应原理为手机进行无线电能传输。Powermat 推出的充电板有桌面式和便携式等多种，主要由底座和无线接收器组成。Fulton 公司开发的eCoupled 无线充电技术，充电器能够自动地通过超高频电波寻找待充电电器，动态调整发射功率。Visteon 公司计划为摩托罗拉手机和苹果的iPod 生产eCoupled 无线充电器。Power Cast公司开发的电波接收型电能储存装置以美国匹兹堡大学研发的无源型 RFID 技术为基础，通过射频发射装置传递电能。WildCharge 公司开发的无线电能传输系统，电板的外观像一个鼠标垫，能够放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高达90W 的功率，足以同时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。

日本企业与研究机构也在无线电力传输技术领域投入了很多研发力量，2011 年，日本宽带无线论坛的无线电能传输工作小组以实现无线电能传输技术的早期实用化为目的，制定了无线电能传输相关的指南，确保用户能够安全利用无线电能传输。企业方面，日本村田制作所采用电场结合型无线电力传输技术，与TMMS公司共同开发的无线电力传输系统，具有高效性和较大的位置自由度。NTT DoCoMo 等移动通信运营商积极采用无线电能传输技术，松下联手NTT DoCoMo 开发无线充电器。昭和飞机工业公司研制出基于电磁感应原理无线传输电力的非接触式电源供应系统。富士通公司利用磁铁实现了设备在距离充电器最远可达几米远的地方进行无线充电。松下推出了内置太阳能板的桌子，可为移动设备提供电力。

研究机构方面，日本邮政省通信综合研究所和神户大学工学部开发的5kW 微波电力无线电能传输系统，可准确为飞艇输电。东京大学产学研国际中心开发的家用电器无线供电塑料膜片，可贴在桌子、地板、墙壁上，为小型电机供电。

从研究领域看，新西兰在供电理论和实际应用方面均有多项成就，引领了该项技术的发展方向；美国和新西兰相似，日本则侧重于实用设计方案；德国在结构分析和优化领域有研究论文发表，加拿大将该技术应用于电力机车；南非研究了系统优化和变压器设计，韩国涉及非接触变压器理论分析；中国在分离式变压器、系统电路和应用领域各有所涉及。

从质量上看，新西兰和美国研究水平较高，尤其是新西兰在非接触供电理论领域具有领先地位，提出了多种有价值的原创电路拓扑，美国则技术与应用并重；日本在该领域的实际应用方面具有较大优势，开发出了多种实际供电系统；中国的原创性发明较少，申请专利多数为实用新型，且侧重于某个具体方面的应用；德国和荷兰分别在交通和电器领域有所成就。

国内在无线电能技术方面研究起步较晚，重庆大学、浙江大学、西安交通大学、中科院电工研究所、南京航空航天大学、西安石油学院、河北工业大学、郑州大学、湖南大学、清华大学、北京科技大学、北京工商大学等单位在该领域都有研究。国内的研究机构主要进行一些基础性研究工作，还未曾开展大规模的研究。哈尔滨工业大学朱春波教授采用直径50cm螺旋铜线圈串接电容的方式构成谐振器，实现在0.7m距离传输23W的能量，在传输距离为55cm时负载电压获得最大值，其最高传输效率接近50%。重庆大学自动化学院孙跃教授带领的课题组，攻克了无线电能传输的关键技术难题，建立了完整的理论体系，研制出的无线电能传输装置能够输出600W到1000W的电能，传输效率为70%，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增加，也不会影响其供电的稳定性。香港理工大学傅为农教授带领的课题组对感应耦合无线电能传输技术和磁谐振耦合无线电能传输技术进行了深入研究，并对2种无线输电方式进行了比较。他们采用平面薄膜谐振器，实验中，在发射谐振器和接收谐振器相距20cm时，传输效率为46%，谐振频率为5.5MHz。华南理工大学张波教授带领的课题组从电路角度分析谐振耦合无线输电系统传输效率与距离、线圈尺寸等之间的关系，设计制作了多种不同线圈参数的谐振耦合无线输电装置，进行比较实验，以实现系统优化目标，设计频率跟踪系统，解决了由于谐振效率失谐带来的传输效率低下问题。南京航空航天大学航天电源实验室也对电动汽车的无线电能传输技术的几种模式进行了研究。中国科学院应用超导重点实验室关于超导无线电能传输方面已经开展和正在进行的研究工作，指出了超导无线电能传输技术潜在的应用前景。上海交通大学系统地阐述了超颖材料在无线电能传输中应用时所涉及的部分理论与设计方法。从不同的出发点解释了超颖材料改善无线电能传输性能的作用机理，分别介绍了超颖材料的负折射效应，磁偶极子耦合模型和电磁坐标变换理论。

综合来看，国内在无线电能传输领域取得了一定的研究成果，但目前还存在一些问题，如集中投入精力、展开持续研究的单位少，一般应用型成果较多，电路拓扑探讨和传输效率问题等深层次研究偏少，做出稳定、高效的实用样机更少。

1.4.2　国内外理论研究进展

关于无线电能传输技术的理论研究主要集中在两个领域：电能变换与补偿、松耦合变压器及结构设计。前者重要的研究成果有：建立松耦合感应电能传输系统的负载模型；研究解决变换电路高频应用时的控制策略和频率稳定性问题；谐振变换器频率分析及最小功率因数分析；运用包含初、次级谐振电路的数学模型，研究频率的分叉现象和最大能量传输之间的关系；考察了零相位角控制松耦合感应系统的稳定性判据，提出了保证任意负载稳定运行和能量传输的一般边界条件；利用线性同轴线圈变压器进行水下能量变换和配给系统的设计方法；将无线电能传输技术和超级电容技术联系应用于UPS和能量供应等。

2012年，意大利佩鲁贾大学的学者设计出具有不同频率通道的能量传输系统并将能量和信息进行同时传递；2013年Olutola Jonaah等在混凝土结构中应用强耦合技术实现距离为10cm、湿度范围在0.2%～38.5%、效率范围在2%～38.5%的无线输电实验；2014年Davids Ricketts等设计了一种具有高品质因数的阻抗-频率高准确度匹配三线圈结构，并通过无线电能最小功率传输实验证明了该线圈结构的优越性，其传输性能在原来基础上提高了约30%；2011年，美国华盛顿大学、匹兹堡大学医学中心与英特尔宣布，基于磁耦合谐振无线电能传输技术，试制出了植入式人工心脏适用的供电系统，将装有接收线圈的人工心脏放在盛满水的容器中，实现了电能的无线传输；2012年日本宇航局与东京大学合作，针对未来低轨小卫星空间太阳能微波能量传输实验研制了微波发射天线阵列，总功率可达到1.6kW。

2016年俄罗斯圣彼得堡大学的研究人员推出一种新的无线电能传输系统，可以在距离20cm内保持80%的电力传输效率，且期间传输效率随着距离增加衰减极小。该研究成果刊登在最新一期的《应用物理快报》上，可用于需要隔空进行无线充电的领域。研究人员通过两种方法减少了电力传输中的功率损耗，从而提高了WPT系统的效率。首先，用“高介电常数且低损耗介质谐振器”取代传统的铜圈。其次，与通常使用的磁偶极子模式不同，研究人员采用磁四极模式，减少了辐射损耗。

国内在无线电能传输系统主电路频率稳定性方面展开研究，用于保证系统最大功率传输，利用广义状态空间建立系统的数学模型，并解决了传统非接触电能传输装置中磁场发射线圈和接收线圈之间存在角度限制的问题；中科院电工所分析研究了系统补偿拓扑、运行频率及负载参数对系统性能的影响，建立耦合结构的互感模型，得到初、次级线圈形状和尺寸对耦合变化特性的影响；清华大学机器人技术及应用实验室在大气隙、非对称结构高效电能传输及谐振电路拓扑、控制机理方面展开了研究。此外，还有结合DSP对非接触供电的控制做研究以及电路系统的设计和优化等方面的研究。

香港城市大学的许树源教授也是较早地涉足于电磁感应式无线电能传输技术的研究，他主要研究了PCB（Printed Circuit Board）空心变压器以及基于此变压器的平板式电池非接触充电平台，为手机等小功率消费电子产品的便捷安全充电提供了很好的解决方案；重庆大学孙跃教授课题组利用互感耦合模型，分析了磁共振模式电能传输系统的4种拓扑，给出了系统发射线圈恒流，输出电压恒压的参数边界条件且优化了系统的磁路机构；东南大学黄学良教授课题组提出了一种在给定工作频率、传输距离下的盘式谐振器的优化与设计方法，研究传输效率及输出功率与线圈距离、工作频率、负载电阻之间的关系；哈尔滨工业大学朱春波教授课题组分析了中继线圈在谐振频率时的工作特征以及电流放大的理论机理和单管E类功率放大器的负载阻抗特性及影响负载网络的因素；华南理工大学张波教授课题组从电路角度分析了磁耦合谐振传能系统的传能效率与距离和线圈参数的关系，在此基础上加入频率跟踪系统用以解决传输过程中由于频率失谐带来的传输效率低的问题；清华大学赵争鸣教授课题组分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本结构和工作原理，并对无线电能传输系统中两线圈和四线圈基本结构进行比较，得出了在传输效率相同的情况下，增加源线圈和负载线圈的四线圈结构更容易实现一次侧和二次侧匹配的结论；香港理工大学傅为农教授课题组与武汉大学王军华教授合作研制了一种平面螺旋谐振线圈，在发射谐振线圈和接收谐振线圈相距20cm时，谐振频率为5.5MHz，传输效率为46%；四川大学于2013年9月建立了千瓦级、千米级无线能量传输试验装置；本书作者也多年从事无线电能传输方面的研究工作，并与2013年出版了国内第一部相关学术专著《无线供电技术》。

2001年5月，国际无线电力传输技术会议在法属留尼汪岛召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特， 利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km 的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

从技术标准方面，全球首个推动无线电力传输技术的标准化组织“无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）”于2008年年底成立，这是业界第一个推动无线充电技术标准化的组织，涵盖电池、消费电子、芯片、设备制造、基础设施及无线充电技术等领域。目前，联盟超过100家，包括Convenient Power、Duracell、Hosiden、Fulton Innovation、Leggett& Platt、美国国家半导体、诺基亚、奥林巴斯、飞利浦、三星电子、三洋电机及德州仪器等，涵盖电池、消费电子、芯片、设备制造、基础设施及无线充电技术等领域。

2010年，无线充电联盟制定并发布了无线电力传输的全球标准Qi。自发布以来，Qi已经演进到1.0.3版本，目前主要支持低功率设备，功率最高5W。早期支持Qi标准的设备，接收端主要以保护套的形式套在移动设备上，而从2011年开始，一些厂商已经将接收端集成到了手机当中。Qi主要的推动力来源于电信运营商，如Verizon要求手机厂商必须支持该种标准，从而确保用户可以随时随地地应用Verizon的网络，而在日本，电信运营商希望不仅手机能支持Qi标准，同时还能将无线供电设备融入到基础建设。2011年11月，无线充电国际联盟展示了其成员企业开发的60多款无线充电器，三星、HTC等主要手机厂商均推出带无线充电功能的手机。

信息技术领军企业三星和高通与其他企业共同组成另一家无线电力行业联盟“无线充电联盟”（Alliance for Wireless Power，A4WP）。该独立运营组织的使命在于促进全球无空间限制的无线充电技术的标准化，针对各种消费电子设备建立一个全球性无线充电技术体系，制定产品检验、认证程序，促进行业与监管者就无线充电政策的制定展开对话。与高通和三星一同加入联盟的公司还有Ever Win Industries、Gill Industries、PowermatTechnologies以及SK Telecom。

从技术类型分析，两大无线充电联盟所倡导的技术方式有所不同。WPC主要是采用线圈耦合的方式来实现能量转移，目前主要为5W产品的低功耗应用制定规范，也在尝试为高功率产品制定规范。它可实现在一个平面上为多个电器进行充电，充电板的发射端与充电产品接收端距离为5mm。A4WP正在促进共振方式无线充电技术的发展，充电板与智能机装置拥有同样频率的共振线圈，通过共振来充电，因此即便智能手机不与充电板接触也可进行充电。除了两大联盟的技术方式外，也存在其他几种充电方式，比如以WildCharge、Duracell两家公司为主的传导式充电、Powermat和Palm的无线充电技术，以及以Power Cast公司为代表的RF射频充电技术等。

国内以无线电能传输技术为主题的研讨会也陆续展开，相应的一些学术组织也陆续成立。

2011年10月11～12日，以“无线电能传输关键技术问题与应用前景”为主题的“中国科协第57期新观点新学说学术沙龙”由中国科协主办，中国电工技术学会承办，并在天津工业大学举行。本次学说沙龙是国内首次以无线电能传输技术为主题的学术交流活动，讨论了无线电能传输技术研究领域存在的问题，对推动国内无线电能传输技术的研究和发展产生了一定的作用。

2012年，以“如何推进我国无线电能传输技术的发展与应用”为主题的研讨会由中国电工技术学会主办、重庆大学承办，并在重庆召开。本次研讨会主要讨论了我国无线电能传输技术研究现状与发展趋势，对推进我国无线电能传输技术的进一步发展产生了积极影响。

2013年，第十五届中国科协年会第二分会场“无线电能传输关键技术与应用学术研讨会”在贵阳市召开。本次研讨会是在国内举办的首届无线电能传输技术国际会议。

2014年4月，中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会在天津成立；2015年1月，中国电源学会无线电能传输技术及装置专业委员会成立；2014年5月香山科学会议第499次学术讨论会召开，大功率无线电能传输技术及其科学问题、空间太阳能电站发展核心技术问题为该会议的中心议题，我国有望于2030年研发出首个空间太阳能电站，这意味着微波无线电能传输技术在我国将得到飞跃发展。

1.4.3　国内外应用研究介绍

由于无线电能传输系统多功能性好、可靠性高、柔性好，安全性、可靠性及使用寿命较长等优点，加上无接触、无磨损的特性，能够满足多种不同条件下电工设备的用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求，所以无线电能传输系统在许多领域都有广阔的应用前景。

（1）智能家居

智能家居近些年逐渐被人们所关注，其中智能家电的供电中无线电能传输技术具有突出的优势，为摆脱传统充电线缆的限制，最大化体现便捷、人性化，“无尾”家电设备逐渐被提出。诸如“免电池”无线鼠标以及手机、笔记本电脑无线充电终端等。

①无线电能传输手机　无线电能传输技术得到推广后，人们只需要一个充电器就可以给所有的设备都进行充电。而且，随着这项技术的不断推广，无线充电发射器可以在我们生活、居住、工作的每个地方很便利地找到，甚至可以在汽车、飞机上、宾馆里、办公地点安置充电发射器，这意味着人们不用再随身携带任何电线，即可随时随地为自己的电器进行充电。

中国是世界最大的无线移动通信市场，对于便捷、易用、互通、兼容的无线充电产品的需求将呈几何级别增长。无线充电行业发展的巨大潜力，也能促进中国企业积极参与和研究这一市场，有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。而中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利就使用了电磁感应技术。

美国WildCharge公司的研究人员于2001年开始研发无线电能传输技术（Wire-free Electric Power Technology），2008年，他们设计的无线充电器获得国际消费电子展（CES2008）最佳创新奖，目前该产品已正式上市，如图1-19所示。可同时给多个内置了接收线圈的手机、mp3播放器等消费电子产品进行充电。

日本精工爱普生公司2008年7月发布了通用型非接触功率传输模块：S4E96400（原边）及S4E96401（副边）。该模块可实现2.5W功率传输，副边可实现5V/500mA输出，原、副边线圈仅厚0.8mm，且与电路模块分离，可独立配置，这样可以很方便地安装到手机等便携设备里。

日本富士通公司2010年9月13日宣布，已开发出无需连接电源线，只需靠近专用装置就能给手机充电的技术（如图1-20所示）。若真正实现“无线充电”，将会减少带充电器出门和连接电源等麻烦。该技术的特点为，近至数厘米远至数米，可以同时对数个机器进行充电。除了手机，该技术还被期待应用于笔记本电脑、数码相机等移动电子产品以及电动汽车等方面。原有的无线充电技术需要将受电机器对准供电设备，和接线充电并没有太大区别。而新技术攻克了受电部件容易受周围金属影响的难题，成功地将该部件安装于手机内部。

据介绍，富士通的无线充电系统则是基于磁共振原理，电能可在两个共振频率相同的线圈之间无线传递。理论上，这一系统的工作范围可达数米，但富士通的测试距离仅为15cm。在此距离上，传输效率为85%，这意味着传输过程中损耗了15%的电能。传输效率会随着距离的增加逐渐衰弱。消费者可将设备放在富士通的系统附近进行充电，如放在传输线圈附近的桌面上。不同的设备即使对电量要求不同，亦可同时充电。由于电能传输仅发生在两个共振频率相同的线圈之间，该系统对其他设备、装置、宠物和人都是安全的。

为避免不必要的浪费和产生更多的电子垃圾，中国正在执行手机充电器端口统一标准化。但对于无线充电技术来说，这一点将会得到最大程度的普及：不但手机可以使用，数码相机、iPhone和iPad、笔记本也都可以一同分享这种充电设备。日本富士通甚至准备推出一个更为高级的技术，将这种成功从便携式电子产品扩大到电动汽车充电中。富士通公司此举最终目的是在街头设置公用“充电点”，可以为便携数码设备以及电动汽车用户实现更方便地24h全天候充电服务。虽然无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且这个效能接收率在不断提高，很快将能达到98%。

2015年，韩国三星公司推出的S6系列手机产品采用了无线电能传输技术，如图1-21所示。2017年，三星发布的年度旗舰Galaxy S8和S8+支持Qi/Powermat标准无线充电，同时，罗马仕推出了与S8搭配的Hexa无线快充板，如图1-22所示。Hexa采用了国际通用的WPC标准，采用了高通QC2.0快充解决方案，支持国内外市面上所有符合Qi无线充电标准的手机，并且采用了4.5mm的超薄设计，如图1-23所示。Hexa内置了智能IC识别芯片，接触面积、距离大大增加。一触即充，瞬间感应，省去传统数据线缠绕杂乱的困扰。用户只需要将手机轻置于无限充电板上，即可实现快速充电。随放随充，随充随走，简单便捷。

2017年，Aircharge公司和宝马联手推出了一款为iPhone定制的无线充电保护壳，允许iPhone用户在宝马今年早些时候推出的5系轿车中通过车内无线系统进行充电，如图1-24所示。这款保护壳目前已经通过了苹果的MFi认证，并且满足Qi无线充电标准。

2017年9月，苹果在发布会上介绍，iPhone 8和iPhone 8 Plus 能够适配各类Qi标准无线充电器，并且知名配件厂商 Belkin和Mophie也为iPhone 8全新开发了多款无线充电器配件。苹果还专门设计了一款名为AirPower的无线充电枕，如图1-25所示，可以同时为iPhone、Apple Watch和AirPods进行充电，并且充电时不需要对准固定位置，只需随意将设备放在充电枕的表面即可。

②无线电能传输电视　2010年1月，在美国举行的“2010 International CES”上，海尔展出了利用无线电能传输技术实现的机身上没有电源插头的大屏幕电视（如图1-26所示），并演示了播放以无线传输高清影像的高速通信标准“WHDI（Wireless Home Digital Interface）”传输的影像。此为电视机身上无“电线”的试制品。投产计划尚未确定。该产品借助以无线方式传输电力的无线供电技术省去了电源缆线，而且由于嵌入了高速无线功能，因而可在无缆线的情况下接收1080p的HD影像信号并进行显示。该产品中嵌装的无线电力传输系统，可将100W电力传输至相距约1m的设备上，可谓是一款真正体现出“电源缆线消失之日”的、雄心勃勃的试制机。

无线供电通过磁耦合（Magnetic Coupling）供电方式实现。试制电视的背面内置有约1英尺（30.48cm）见方的线圈。可在距离约1m之外的地方供应100W的电力。可供电的距离取决于线圈的大小。据称最远能以线圈直径的3～5倍距离供电。此次演示了以设置在电视机背面20～30cm左右的供电装置供电的情形。

WHDI是业界团体“WHDI”依据以色列AMIMON公司的技术制定的利用5GHz频带的无线通信标准。如果充分利用40MHz带宽，可确保3Gbit/s的传输速度。该标准能够以非压缩方式无线传输1080p的60Hz高清影像。可进行最远100英尺（约30m）的通信，还可穿墙连接。2009年12月WHDI发表了正式标准“WHDI 1.0”，海尔的电视支持这一标准。

③其他小功率无线电能传输产品　无线电能传输技术适于一些小电器，例如电动剃须刀、电动牙刷。这些器具经常会在潮湿的环境下使用，电气连接的存在可能会导致漏电事故。无线供电技术使充电过程中没有裸露导体，从而将大大提高电器的可靠性和安全性。

早在20世纪70年代中期就出现了电动牙刷，随后发表了几项有关这类设备的美国专利，如图1-27所示。图1-28所示为韦伯斯特生物官能公司申请的外科托盘上工具的感应式充电专利。

如图1-27所示，当牙刷不用时，杯型底座通过电磁感应给牙刷中的电池充电。虽然传输的功率比较低，但感应耦合技术极好地满足了这种应用。

如图1-28所示，采用充电式托盘用于给无绳电动工具感应式充电，这样简化了再充电，而同时能保持各个工具的无菌性。磁场发生器位于托盘的表面的下方，并在托盘的表面处产生有足够电力的随时间变化的磁场，以便给放置在托盘上的工具感应式充电。工具内置了感应线圈，用于吸收磁场的能量，存储在并联的电容上。它不需要在磁场发生器和工具之间有任何物理接触，无论工具何时放置在托盘上都可以再充电，因此减少了在手术进程中工具用光电力的机会。

宜家公司推出的无线电能传输充电板如图1-29所示，该无线电能传输设备将核心部件嵌入在充电板中，采用QI无线充电标准。

（2）生物医学领域

无线电能传输技术在医疗设备应用主要集中在植入式医疗设备的无线供电中，诸如心脏起搏器、神经刺激器、全人工心脏、人工耳蜗和视网膜假体等。植入式医疗设备一般的供电功率需求很小，在几十微瓦到几十瓦不等，多采用经表皮的直接供电、植入式电池无线电能传输等方式。例如，加利福尼亚大学G. X. Wang等研制的人工视网膜供电装置。日本东北大学小柳光教授，试制出的可从外部向植入眼球的人工视网膜用进行无线供电的系统。英国南安普敦大学研究成功的一款能将振动转化为电能的“迷你发电机”，可望将来能凭借心脏病人的心跳为自己的心脏起搏器供电。人体植入设备的非接触电能传输也是无线电能传输的主要热点研究领域之一，植入式设备采用无线电能传输具有以下优点：

①供电中没有物理连接，避免了导线与皮肤的直接接触，防止感染引起的并发症。

②解决了植入式电池电能耗尽后需手术更换的问题，提高手术后病人的生活质量。

③与人体皮肤没有直接的电气连接，不存在裸露的导线和接触机构，消除了意外电击的可能性，提高了设备对人体的安全等级。

④不存在直接的摩擦，消除了机械上的磨损和电气腐蚀，具有高可靠性和免维护性。

⑤由于非接触变压器一、二次是非紧密耦合的，系统在变压器一、二次产生一定程度的错位时仍可正常工作，提高了供电时的灵活性和病人的舒适性。

国外进行无线电能技术在生物医学领域的应用研究较早。最先研究的感应电能传输环节始于20世纪60年代，主要用于听觉修复系统和人工心脏系统的电能传输。科学家利用这项技术在动物体内进行移植实验，安全传输功率达150W。经过长期的观察，产生的磁场对生物组织没有明显的负面影响。

由于植入式医疗装置工作条件所具有的特殊性，能量供给问题无疑是前进过程中最大的绊脚石，目前植入式医疗装置通常采用微型电池供能，但这会带来如下问题：

①微型化学电池容量有限，无法实现长时间持续供电，并伴有微弱漏电。

②微型化学电池由于化学电池的构造特点，一旦发生泄漏将对人体造成较大危害。

③微型化学电池占据较大空间，进入体内的植入式医疗装置体积必须很小。这给微机电系统的制造造成了困难。

故目前在植入式医疗装置的供能方面尚无有效方法和手段。

无线电能传输技术在植入式装置能量供给方面有独特的优势，近几年得到了迅速的发展。其中日本和欧美国家在该项技术上的发展尤为迅速。德国、比利时、意大利、爱尔兰还得到了国家基金项目的大力支持。早在1988年，德国的专家就已经把无线供电技术和控制技术应用于人造关节的控制。在20世纪90年代后期开始，美国研究了人造器官的体外能量的供给系统。日本、以色列、韩国以及欧洲的公司相继推出了其无线电能传输的实物产品，无线电能传输将渐渐成为人造器官电能供应系统的主流方式。

近年来，随着MEMS技术的成熟，植入式装置向微型化发展。2005年，比利时研制的检测装置，长仅为3.0mm，加上内置天线，也仅为5mm×3mm。2006年，德国开发的专用的9通道生物感应芯片，采用0.8μm技术制造，输入电压4.0～6.0V，消耗电流1mA，规格为2.0mm×2.6mm，留有35个引脚，支持在线编程。近年来，亚洲的韩国、新加坡在生物及人体内控制电路小型化技术上也取得了一定的进展。

美国匹兹堡大学生物工程系与电气工程系的研究人员Zhang F.提出了一种适用于医用传感器和植入式医疗设备的可调频无线供能系统，设计了一套包括射频功率源、两个新结构共振接收器及相应外围电路。在研究中，实验人员在开放环境和利用仿人头模型分析了该系统的可行性，如图1-30所示。实验结果表明，这套系统可为医用传感器及植入式设备提供能量。

2014年5月，美国斯坦福大学宣布开发出了新型无线电能传输技术。能从数厘米远处为装有受电天线的米粒大小心脏起搏器供电。不仅是起搏器，该技术有望使很多植入体內的治疗设备不再需要又大又重的电池，也无需通过手术为这些设备更换电池。

我国的植入式遥测系统研究近几年也得到了一定的发展，我国在“863”计划中明确提出了对微型胶囊内窥镜的研究。2004年11月，重庆金山科技集团成功研制出了第一代OMOM胶囊型内窥镜，其尺寸为11mm×25mm。上海交通大学开展了基于射频感应控制的掌指人工关节研究，天津大学进行了植入式电子装置经皮感应充电研究，南京航空航天大学研制了植入式生物遥测装置无线电能传输系统，重庆大学研制了一种用于体内诊疗装置的无线供电系统。而在大功率近距离的无线供电方面的研究，国内只有几个具有一定电力电子实力的高校正逐步进行着研究和探索，仍处于起步阶段。

（3）仪表仪器

图1-31所示为意大利和爱尔兰研制的一种生物化学传感器，整个内置系统由一个稳压器、一个微处理器、发射机和电池组成。它使用调幅发射，作用距离达到30m。该装置能够在生物体自由活动的情况下测量生化电流，精度达到微毫安级。

（4）扭矩监测系统

扭矩信号是各种动力机械运行状态监测、安全与优化控制和故障识别预报的主要信息源。扭矩信号测量方法的关键之处：一是如何将旋转轴上检测到的应变信号可靠地传输到地面上静止的分析仪器或设备；二是如何给旋转轴上的测量电路供给能量。

信号传输采用感应无线传输方式，通过电磁感应把扭矩测量信号传输到静止的接收机，它的发射模块就是绕在被测轴上的感应线圈。感应无线传输的传输距离较无线电传输要短，准确度要低，但是它的优点是结构简单，安装实现比较方便，也不需要对机械结构进行大的修改。

传统的电能传输采用滑环、水银和电刷等直接接触的引电装置，这种输电结构必然会产生接触部位产生摩擦阻力和接触零件的磨损、发热等问题，导致的结果是传输性能不稳定、工作寿命短、不适合高速旋转或振动较大的轴，同时，这种输电装置日常保养和维护也非常麻烦。此外，像钻井中钻具的扭矩测量、车辆旋转轴的扭矩测量、工业现场大型传动装置测量等场合，由于受测量环境约束，往往不适合使用有线传输方式。而电池供电的无线电在线监测传感器只能短时间工作，不能进行长期连续监测。电磁感应式无线供电技术能为在线监测传感器进行无接触供电，它是由感应电源送出的大功率电能经静、动线圈之间的耦合而获得，如图1-32所示。该供电方式能为传感器和发射机长期提供稳定的电源，使系统长期工作，实现扭矩在线监测。其无线在线监测传感器原理如图1-33所示。

（5）穿戴式智能设备上的应用

“穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等。而广义的穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或者部分的功能，例如智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其他设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。随着技术的进步以及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断地变化。

穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。随着移动互联网的发展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等，部分穿戴式设备已经从概念化走向商用化，新式穿戴式设备不断传出，谷歌、苹果、微软、索尼、奥林巴斯、摩托罗拉等诸多科技公司也都开始在这个全新的领域深入探索。

电子纺织品正快速地发展，智能型纺织品技术，包括各种人因工程传感器、初级智能的硬件装置都是需要电源供应的。利用感应方式为智能型纺织品系统提供能量，在智能服装行业有着巨大的潜力市场。

将金属镀层纤维、含金属的复合材料纤维、纯金属丝、含金属的短纤维纱线制成导电纱，导电纱以假捻、包绕、并线等纱线加工手段纺成加工纱线。运用不同的材质、形状、大小、圈数、线距及织物结构，使用导电纱织在纺织品上形成感应线圈。当外界有电磁波信号时，接收线圈通过磁力线密度变化产生电动势并提供给智能型纺织品的传感器使用，并可通过无线传输技术将资料传至用户终端做处理分析。织物或家饰品接收面积大，感应线圈并不受限于面积范围，可分布在空间中的不同方位；不同之织物结构可事前设计，组合实现较为自由。图1-34为线圈与织物整合设计示意。

2017年9月，吻吻科技在香港珠宝展第35周年上举行了一场智能珠宝芯解决方案发布会，让智能珠宝通过手机实现了无线充电，如图1-35所示，该技术解决了智能珠宝因尺寸限制电池容量小的续航痛点。

（6）工业应用

无线电能传输技术随着不断的成熟和发展，其在工业领域也有非常广阔的应用前景。在工业上一些特殊场合如化工设备中的检测装置、水下机器人、分布式传感器、巡线机器人的供电问题等，这些场合下的用电装置一般采用换电池模式或用电缆输电，给设备的正常使用和维护带来了诸多的不便，而无线电能传输技术克服了上述缺点成了近年来国内外学者和公司研究的一个新的热点。

①采矿和油井勘探　我国的矿藏资源比较丰富，实现安全生产十分重要。随着现代化程度的不断提高和开采运输距离的增加，对采掘、运输、照明和电能传输系统可靠性、安全性的要求越来越高。新型感应式电能传输系统不受周围环境和天气的影响，采用该系统可以解决目前在采矿、水下探测等环境较恶劣的行业中存在的设备电能传输问题。现在许多海底石油、天然气生产设备都采用感应电能传输器进行充电。

在井下，感应式电能传输系统可以在矿车卸矿时进行充电，从而减少车载电池的数量，降低车身重量，提高生产效率，同时保证安全运行。图1-36描述了采用同轴绕组变压器给运动负载进行大功率电能传输的系统，该系统可用于拖车、传送装置以及在地下矿区运行的其他支撑设备。多个运动负载可以通过独立的同轴绕组变压器接收能量，同轴绕组变压器沿着单匝初级导体自由移动。能量传输是通过一个大型的高频电源电能传输，工作频率2kHz。该系统涉及负载达到10个，每个负载功率为100kW，整个系统功率达1MW。

感应式电能传输系统在石油开采勘探方面具有效率高（可达90%以上）、安装方便、控制性能好的特点，有着广阔的应用前景。如图1-37所示，美国Bahrain油田应用井下感应加热器浅层角砾储层中开采重质原油。选用Madis感应加热系统，将高压三相交流电传送到井下转换器，转换器再将其转换成低频、高电流能量。该加热系统对完井没有特殊要求，井下温度可由地面调节装置来控制。它由引入工具和生产油管组成，引入工具包括三部分，串联在油管上，并下入相应地层。感应工具总成由三相ESP电缆供电，随着油管一起下入井内。感应器通过铁磁套管利用电能感应加热储层，并且是通过ESP电缆用高电压、低电流传送三相电。在地面调节装置的帮助下，三个感应单元可以根据需要加热至不同的温度，传送能量的60%能够转换为热量。

②移动机器人　移动式机器人已经在国防、医疗、工业等诸多方而显示出越来越广泛的应用前景。传统的机器人系统中，由于供电和信号传输线的存在，机器人的运动受到限制。同时，机器人重复运动造成的电气触点磨损降低了系统的可靠性和使用寿命。由于蓄电池容量的限制，以及对机器人自动充电的迫切要求，利用感应充电实现机器人无缆化行走与自动充电意义重大。感应式电能传输方式的显著优点是：整个驱动系统包括驱动电机、变换器、电流、速度和位置控制回路，都设置在机器人肢体中，减小了体积；控制信号可以同样采用感应式方式传输，避免了采用移动电缆导致机器的运动受限以及由于电缆磨损所带来的操作失误等缺点。旋转式感应电能传输系统用于机器人驱动器的活动部位，能量和数据的传输同时进行，通过信号的双向传输，实现系统的智能控制。

1991年，Albert Esser和Hans Christoph Skudelny将能量的感应传输应用于驭动机器人，提高了机器人的运动灵活性。1996年，Atsuo Kawamura等研制出应用于机器人操作手的谐振式变换器进行无线能量和信号的传输。2000年，Juuji Hirai等正式提出将能量的感应传输应用于蓄电池驱动的移动机器人系统的电池充电。同年，清华大学机器人技术及应用实验室将感应耦合充电方法应用于无缆化拟人机器人充电。

巡线机器人（如图1-38所示）用于对输电线路运行故障检测和安全事故巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。在常规地面运作时，一般采用小型蓄电池定时更换方式。但是，高压输电线路分布在野外，跨越山川湖泊，巡线机器人作业时，能量消耗大，而现场没有可供充电的电源，并且频繁的更换蓄电池造成诸多不便，极大地限制巡线机器人的广泛应用。武汉大学研究了通过感应取电的方式为机器人提供电源的供电系统。设计磁芯和线圈从高压线路上获取电能，获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电电路向巡线机器人供电。

（7）水下无线电能传输技术应用研究

水下无线电能传输技术可以将电能以无导线连接的方式从发射端传输给用电设备。这种电能的传输方式发送端和接收端不存在直接电气连接，避免了传统湿插拔供电方式由于金属接插件接触引起的火花、漏电、腐蚀等缺点，提高了水下电能传输的安全性，可用于对水下作业设备安全地供应电能。目前国内外涉及该领域研究的机构很少，图1-39所示为水下无线电能传输技术的分类。

无人水下潜艇（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）在监视等军事行动当中正发挥着越来越大的作用，但其最大弊端在于仍需要上浮或者登陆以为电池充电，其在上浮充电时极易遭受攻击，因此需要更为先进的充电技术作为支持。2017，美国海军为水下无人潜水艇开发无线充电站，可以为水下无人潜水艇实现无线充电，如图1-40所示。

上海海事大学对水下无线电能传输技术进行了相应的研究，给出了磁感应式水下无线电能传输的基本结构和工作原理，讨论了该技术的最优工作频率、传输距离、线圈结构选择、涡流损耗与频率分裂现象。简要给出了磁谐振式水下无线电能传输技术和电场耦合式水下无线电能传输的研究现状。

西北工业大学对基于磁共振的水下非接触式电能传输系统在海水中的传输机理以及电涡流损耗进行了分析，针对海水环境，通过麦克斯韦方程组建立系统的数学模型，通过级数展开，略去高阶项，得到计算电涡流损耗的近似公式，分析了电涡流损耗与线圈半径、谐振频率、传输距离、磁感应强度的关系，为水下非接触式电能传输系统的总体设计提供了理论依据。

（8）其他应用研究

2016年国防科技大学研制出卫星太阳帆板驱动机构无线电能传输装置，这套装置已经在实验室内成功应用，如图1-41所示，该装置有望通过无线输电的方式，替代目前国际通用的“导电滑环”。

2016年10月20日，英国帝国理工学院宣布，该校团队成功利用无线充电技术，让无人机在飞行状态下也能进行充电，如图1-42所示。帝国理工学院的团队购买了一架小型四轴无人机，并改造了其电子器件，同时去掉其中的电池，还在机身上缠绕一圈铜箔作为接收天线。另外，他们还制作了一个特殊底座，其与电子器件和电源连接，能够形成电磁场。据介绍，由于无人机的电子器件已经调校过，其频率与地面装置形成的电磁场一致，因此只需将这台无人机放在磁场中，交流电压无需电线就能被导入无人机上的铜箔接收天线，然后经由机上的电子器件高效转换为直流电压，驱动无人机飞起来。即便它飞在空中，只要还在磁场范围内，就能获得电量供应。目前，这项技术还处在实验阶段。该团队仅能让无人机在产生磁场的地面装置上空10cm的距离实现飞行状态下充电，但他们预计只需再开发一年左右，这项技术就能达到商业应用水平。

1.4.4　无线电能传输技术应用前景展望和发展趋势

近年来无线电能传输技术在便携家用电器、人体内植入器件和电动汽车等的无线供电领域得到了实际应用。随着研究的不断深入以及人们对于电能使用的便携性、多样性要求的不断提高，无线电能传输技术的发展呈现出许多新特点，又将开拓出更多新的应用领域。

①高铁列车无线电能传输技术。中国高铁客运专线里程已经超过了世界所有其他国家高铁运营里程的总和，2015年中国高铁总里程达到1.8万公里，到2020年，我国高铁里程将达到3万公里。目前的高铁列车受电是通过受电弓滑板与接触网导线相接触，在静止或滑动状态下获取电能。在高速运行状态下，弓网关系受到摩擦、磨损、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，各因素之间既有区别又相互联系，它们的共同作用使弓网问题更为突出。为解决弓网接触供电存在的问题，提出采用无线电能传输技术为高速列车供电，供、受电端依靠电磁耦合传递电能，没有任何直接接触，能有效克服弓网动接触供电的以上诸多缺点，应用前景广阔。

②空间太阳能电站。空间太阳能电站技术是提供大规模清洁能源重要途径之一，其目标是将太空中接收的太阳能转化为电能，并传送回地球以供人类使用，其核心技术之一就是通过无线电能传输技术将电能以微波或者光波的形式实现能量的传送与接收。

无线电能传输技术今后的发展趋势主要有以下几个方面。

①无线电能传输技术理论的系统化。进一步完善现有理论，建立系统化分析理论和设计方法，如系统参数设计、系统传输特性分析，从理论上进行突破创新，如新材料的使用，从而形成一套无线电能传输技术分析与设计的理论系统。

②智能化无线电能传输系统。智能化无线电能传输系统能够对多负载充电，具有负载识别、跟踪定位、自动充放电等功能，拥有适用的高效大功率高频电源，适应工作环境对系统的干扰，从而在实际生活中有更广泛的应用。

③无线电能传输系统的电磁环境安全。无线电能传输系统产生的高频电磁场对人体的辐射程度、对其他电子设备的影响，以及无线电能传输系统受外部电磁干扰时的可靠性等都是无线电能传输系统电磁环境安全研究的重点。

④无线电能传输技术行业标准。虽然目前已有功率5W以内的无线输电Qi规范，但仍需要更多适用的无线输电行业标准，使无线电能传输技术实现产业化发展。