浅析电磁共振无线充电技术

浅析电磁共振无线充电技术

柴XX1

（1. 理学院光信息科学与技术1002班）

摘要：由电磁共振无线电力传输的基本原理出发，浅析了无线充电技术的应用前景及存在的问题，最后提出了一些发展策略。

关键词：电磁共振；无线充电；电力传输；电磁场；共振器

1前言

由铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。

这一系统可以在未来得到广泛应用，例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。而采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。这项技术具有优良的能量传输特性，从而显现出独一无二的优势。在一个较远的距离上，摆脱电线的束缚，能量在空间中分布，而我们需要做的只是在任何一个地方利用它。

本文综述了无线充电技术，或者说无线能量传输技术在生活中的应用，并介绍了此技术在未来可能得到的应用，如太阳能外空间收集、地球能量网、实时定位，最后提出了在应用中待解决的问题。

2无线能量传输工作原理

2.1基本原理

当振荡电路为非理想状态而有电阻时，电阻发热，成为阻尼振荡；当振荡电路中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡；当外加电动势的频率与电路自由振荡的固有频率ω相同时，振幅达最大值，叫电磁共振。

电磁共振是目前正在研究的一种电力传输方式，是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。并且它们传递能量的强度不会受到周围事物的影响。但由于目前的实验所需要的线圈直径较大，还仅仅停留在实验阶段，而且，必须对其相应频率进行保护，防止相同频率的电磁波进行干扰，降低效率。

2.2装置原理图

图 1 电磁共振电力传输与传统方法的比较

与常规电力传输方法不同的是，对于无线传输，接收线圈和发射线圈可以相距很远，其传输距离和效率受制于磁场的强弱。发射线圈与电源相连，向外发射一定频率的磁场，远处的接收线圈在磁场中发生谐振，接收空间中的能量，在将能量用于设备运转。于是能量便从电源，穿过空间实现了传输。

3广泛的应用领域及现状

无线电力传输技术在医疗器械、便携通信、航空航天、交通运输、水下探测等领域有着广泛的应用前景，涉及军事、工业、医疗、运输、电力、航空航天、空间站、卫星、军舰、航母、节能环保、便携式通信设备等行业1。随着材料学、电力电子件、功率变换和控制技术的发展和WPT技术的逐步成熟以及特殊场合下无线电力传输需求的增长，WPT应用逐步成为现实。无线电力传输应用产品包括低功率低能耗电子通信产品、家具产品、办公产品、治疗仪器、交通工具，如：手机、MP3、电动牙刷、电子遥控门锁、梦幻彩灯、掌上电脑、笔记本电脑、吸尘器、电话、净水器、冰箱、微波炉、体温表、助听器、心脏起搏器、心脏调节器、心脏除颤器、电动汽车、动车组、矿井电车等目前WPT技术大多处在研究阶段，产品应用的主要是lCPT和RFPT技术。ICPT技术主要应用于电动汽车、机车的充电轨道、矿井和水下探测，RFPT主要应用于医疗器械和便携式电子产品。

在医疗器械领域，WPT技术发展改变了医疗植入式电子系统的供电方式，RFPT 技术在医疗电子行业得到了长足发展，如心脏起搏器的核电池充电，耳蜗植入装置供等，其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。医疗植入式装置无线电能传输系统的基本工作原理是采用E类放大器作为RFPT系统的发射极，通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能，产生的耦合电磁波经穿透人体后，通过谐振回路将电磁波转化为电能，再经过整流、滤波、稳压等辅助电路而得到所需的工作电压。采用RFPT技术，主要有经皮能量传输和直接能量传输，可以减小人体受感染的风险，同时又解决了电池寿命有限的问题。

在便携通信领域，WPT近年日渐风靡，已有不少高科技公司涉及这一领域。在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈，手机便可实现无接点充电。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。笔记本电脑或手机放在装有能传输电能的“电磁桌”上能“吸取”电能而工作。

在航空航天领域，空间太阳能电站发出的电能可通过微波向卫星和地面传输电能，MPT技术发展推动了空间太阳能发电和卫星技术的革新，发射、反射和接收技术等得到了很大的发展，微波电能传输在航空航天和电力领域得到应用。太空太阳能电站是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以微波和激光等方式传回地球供人类使用的系统。

在交通运输领域采用的是ICPT技术，主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置。水下探测是WPT系统的一个重要应用领域，水下电能传输可用于深海潜水、深海油田与深海采矿水下电能的获取还能增强非核动力船只的续航能力。

4无线电力传输面临的问题及发展对策

无线电力传输的主要障碍是无线电力传输的效率和距离，无线电波的弥散、吸收与衰减是无线输电的难点。电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差，能量在无线传输过程中，空气作为耦合介质，电力载体的磁力线会有极大损耗，特别是微波，漫射在空间，能量衰竭更快。因此无线电力传输功率低，整体效率差，难以输送大量的能量，电力难以进行大功率远距离的无线传输。对于无线充电，充电器与被充电设备之间以磁场形式连接，各种各样的干扰会造成能量传输的损耗，电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等问题也制约着电动汽车的无线充电发展。

无线电力传输工程规模巨大，无线电力传输系统要解决电力生产和输送两大问题。另外，对于无线充电产品，无线充电设备必须经过相关机构的认证，同时需要找到一种相对成熟的商业模式来打开市场缺口。此外，还要对无线充电的技术进行改良和完善，需要形成一个国际通行的标准，使收发设备之间具备广泛的兼容性。5参考文献

[1]古丽萍.令人期待的无线电力传输及其发展[J].中国无线电，2012，（1）:27-30.

[2]曾繁屏.浅谈无线充电技术及其航标应用的展望.见:中国航海学会.中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、无线电导航学组、内河航标学组年会暨学术交流会论文集[C].福州:2009:.

[3]王莹.无线充电动向[J].电子产品世界，2011，（11）:23-25.