无接触电能传输研究现状

无接触电能传输技术的研究现状

广义地说，无接触电能传输(Contactless Power Transfer ，简称CPT技

术泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术。其中，“载体”包括激光、微波、RF无线电波、以及电磁场近场耦合等。但是，由于目前研究最广泛的是基于电磁场近场耦合的CPT技术，因此狭义的CPT技术专指这种基于电磁感应原理，综合利用电力电子技术、磁场耦合技术及控制理论，实现用电设备以非电气接触方式从电网获取电能的技术。CPT技术在不同的领域或者不同的

研究团队有着不同的名称，如生物医电领域称为TET( Tran scuta neous Energy Transmission )技术，在其他领域也称为WET( Wireless Energy Transfer )、CPS( Co ntactless Power Supply )、CLPS(C on tactless Power Stati on )、IPT (I nductive Power Tran sfer )及ICPT (In ductively Coupled Power Tran sfer) 等等，总而言之，所有这些不同的名字都指代着相同的东西，即通过电磁感应的基本原理实现电能无接触传输的技术，这里，我们统称为CPT技术。

美国麻省理工学院的Marin Soljacic 教授等提出一种“ Witricity ”技术，

基于磁共振原理实现较大距离的无线能量传输，2006年底他们展示了可实现2m

距离60W功率传输的演示系统，并在《Scienee》杂志上发表了其研究成果，引起了世界轰动。它的原理是将发送端和接收端的线圈构成了一个磁场耦合共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的频率相同时，接收端就会产生共振，从而最大化地实现了能量的传输。这种无接触电能传输技术具有传输距离长、能

量损耗较小，传输效率高，传输性能稳定等多方面的优点，因此这种技术吸引了大家更多的关注和研究。

此外，还有一种将电能以微波或激光形式远程传输，发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，这种方式由于传输距离远，系统稳定性较差，发射器发射的大部分能量损耗在传输空间中，致使电磁辐射大、传输效率低，

目前这方面国内外研究的还较少。

通过中国知网，目前能搜索到的国内关于无接触电能传输的文章大概有150篇左右，其中期刊大约有100篇，硕、博士论文有50篇左右。这些文章的内容绝大

部分都集中在采用电磁感应原理来实现无接触传能的，偶尔有几篇提到用微波的方法实现无线传能，而采用witricity 实现无接触电能传输的还鲜有文章。国外无接触电能传输技术的研究起步较早，他们在基础理论方面已经取得了较大的突破，并有很多产业化的产品问世。下面我们将从CPT技术、Witricity 技术和微波或激光技术这三方面来详细介绍一下国内外各个科研机构的研究现状。

1. CPT 技术国内外研究的现状

目前国内外研究CPT技术的研究团队主要有重庆大学、南京航空航天大学、香港城市大学、中科院电工研究所、浙江大学、南京理工大学、湖南大学、郑州大学等，他们先后开展了CPT技术相关的基础研究与应用开发。

重庆大学自动化学院孙跃教授为首的团队于2002年初开始对CPT技术进行研究，该团队在国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科、重庆市重点基金项目、重庆市科技攻关项目等系列科研基金项目资助掌握了CPT技术的主电路拓扑、控制策略、磁路分析等相关技术原理场空间散射和不均衡问题，提

出功率磁场聚集技术，以实现局部近似间；针对任意方向拾取问题，构建了具有

磁力线方位自动跟踪能力的由度拾取机构；针对传统单向能量传输带来的能量回馈困难等问题，基于调幅控制的双向电能高频变换拓扑及相应的控制算法；针对大范式CPT系统，提出能量的无线组网技术，以实现网络化方式扩大非接的距离；针对城市电气化轨道交通，提出了一套基于CPT技术的供电绕CPT技术的相关理论及应用研究，尤其是在高频软开关谐振变换器及非线性行为分析等方面，该团队已在国内外重要学术期刊及国际会数十篇论文，拥有已授权专利一项，并与奥克兰大学的呼爱国博士( PatrickAiguo Hu )合作，积极推进该技术的理论及应用研究，同时他们也进行该技术的应用推广。2004 年，该团队研发了适用于手

机等便携式消费电子产品的非接触充电平台；2006 年，设计了多分区可独立控

制的非接触供电桌面电源，并申请发明专利；2006年，开发出2000W功率容量

的CPT电源系统；2008年，与国内某大型能源企业合作，开发出用于石油钻井设备的非接触式信号与能量传输装置；2008 年，与国内某企业合作，开发出非接触式引信感应点火装置。

南京航空航天大学自动化学院以王慧贞高级工程师为首的团队向航空电源研究发面发展，他们讨论了绕组位置和气隙对可分离变压器参数的影响，并利用

电磁场软件ANSYSS行了有限元仿真，得出了变压器参数随气隙变化的规律，对

设计的可分离变压器的参数进行了测试，并给出了实际测试结果。松耦合全桥谐振变换器的原副边补偿、串串补偿和串并补偿的特性以及松耦合变换器的控制方法进行了一些研究，并对全桥串联谐振变换器构成的非接触感应电能传输系统进行了实验验证。

南京理工大学把无接触能量传输技术应用于引信感应装定系统中，研究了电磁感应装定技术，提出一种解决引信无内置能源感应装定问题的能量和信息非接触一体化传输技术，并对装定器内的可分离变压器各种耦合情况进行了实验和仿真。

浙江大学针对磁浮列车低速时车载直线发电机供电不足的问题，提出了提出了注入高次谐波电流的非接触紧急供电方案，分析了副边电容串联补偿和并联补偿的方法，探讨了原边补偿的各种方法，并利用模拟实验装置验证了效率提升方法的可行性。

香港城市大学的许树源教授也是较早的涉足于CPT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，许教授的充电平台利用近场电磁耦合原理，其产生的低频道电磁场，不会损害电子产品内的记忆体，实验证明充电平台所需的充电时间与传统充电器差不多，因此他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。

此外，湖南大学对高频滑动松祸合变压器原理及设计给出了方案，中科院电工所、郑州大学等科研机构也都对可分离变压器的结构、初、次级电路的补偿方法给出了可靠的理论依据和实验模型。

国外的新西兰、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。在国外，主要研究CPT技术的学府有新西兰奥克兰大学(The Un iversity of Auckland) ，日本东京大学(Tokyo University) 、崇城大学(Sojo University) 、东北大学(Tohoku University) 等。

新西兰奥克兰大学波依斯(John T.Boys) 教授为首的课题组率先提出了基于电磁耦合技术的非接触电能传输技术，即感应耦合电能传输技术，他们将其命名

为ICPT技术。自上世纪90年代以来，他们一直在研究CPT技术的基本原理及其在有轨电车、单轨行车及运料车等轨道交通设备、生物体内电气设备等的无接触供电