磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展

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综 述
作者简介：程丽敏(1988- )，女，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展
程丽敏，崔玉龙
(北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029)
摘 要：作为一种无线电能传输(WPT)方式，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率
可以达到90%，传输功率可以达到千瓦级。

对磁耦合谐振式WPT 系统的整体结构类型，谐振器的拓扑结构类型，提高传输距离、传输效率和传输功率的方法及谐振频率分裂等几方面进行了研究。

总结了国内相关高校的研究成果，并给出了该技术的应用前景及存在问题。

关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；发展现状；存在问题；应用前景中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)12-0001-05
Abstract: As a mean of wireless power transmission (WPT), magnetic coupling resonant wireless power transmission distance can be from scores of centimeters to several meters, transmission ef fi ciency can reach 90%, and transmission power can reach kilowatt grade. Study was carried out for whole structure category of magnetic coupling resonant WPT system, topologic structure category of resonator, improvement of transmis-sion distance, transmission ef fi ciency and transmission power methods and resonant frequency split etc aspects. Summary was made for study results of related colleges and universities at home and the application prospect of the technology and existing problems was given.
Key words: magnetic coupling resonant type; wireless power transmission; present development situation; existing problem; application prospect
CHENG Li-min, CUI Yu-long
（College of Information Science&Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China ）
Magnetic Coupling Resonant Type Wireless Power Transmission
Technology Study Progress
0 引言
无线电能传输(WPT)技术是不使用导线连接而通过电场、磁场、激光等软介质实现的电能传输方式。

1890年，尼古拉・特斯拉提出了把地球作为内导体、距离地面约60km 的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz 的低频共振，再利用环绕地球表面的电磁波来远距离传输电力[1]。

2006年11月，在美国物理学会工业物理论坛上，麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic 首次提出了磁耦合谐振式WPT 技术[2]。

WPT 技术主要有3种，即电磁感应式、磁耦合谐振式和电磁辐射式。

电磁辐射式WPT 技术是利用电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理而实现的能量传输。

电磁感应式无线电能传输技术(简称IPT)主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现
电能无线传输。

磁耦合谐振式WPT 的理论基础是耦合模式理论，两个相同谐振频率的振荡电路，在波长范围内是通过近场瞬逝波耦合的，感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内，允许能量高效地从一个物体传到另一物体。

而与周围不同频率的物体之间的相互作用很弱，电能传输的介质是中高频的磁场。

1 磁耦合谐振式WPT技术研究现状
1.1 国外研究现状
1.1.1 WPT系统的整体结构类型
从磁耦合谐振式W P T系统的整体结构来看，可分为单发射器、单接收器的系统，单发射器、多接收器的系统，有中继谐振器的系统。

1)单发射器、单接收器的WPT系统
对于单发射器、单接收器系统，也有不同的实
1.1.3 传输距离的提高
1)在发射器和接收器之间放置中继谐振器时，
传输距离可以有很大地提高。

在兆赫兹级的谐振频
率下，为保证传输功率的最大化，不同距离时，中
继谐振器个数如表2所示[11]。

2)磁耦合谐振式W P T可以在高的传输效率的情
况下远距离传输。

使用诺依曼法则，传输距离被证
现方式。

在参考文献[3-6]中，电源直接与发射器
线圈连接，接收器线圈直接与负载相连。

这种方式
结构上比较简单。

在参考文献[7-9]中，电源与单
回路相连，单回路再与发射线圈谐振耦合；负载与
接收回路相连，接收回路与接收线圈谐振耦合以获
取电能。

这种方式把能量产生电路与能量发射电
路，能量接收电路与能量恢复电路区分开来，可使
直接与电源和负载连接的线圈的尺寸不必过大，在
一些特殊的应用中有重要的意义。

2)单发射器、多个接收器的WPT系统
这种系统的一个发射器可以同时对多个接收
器供电[10]，这种系统对于人们所构想的无尾之家、
无尾办公室等的实现具有重要的意义。

3)有中继谐振器的WPT系统
在发射器和接收器之间放置中继谐振器可以增
大能量传输的距离。

在参考文献[11]中，提出并研
究了一种可以放置在靠近发射器或者接收器的中继
谐振器，提高了选择中继谐振器位置的灵活性，如
图1所示。

参考文献[12]分析了多米诺骨牌形式排
列的同轴或者非同轴谐振器。

1.1.2 WPT系统谐振器的拓扑
WPT系统的谐振器拓扑形式主要有4种，分别是
发射器串联谐振，接收器串联谐振(S/S)；发射器
串联谐振，接收器并联谐振(S/P)；发射器并联谐
振，接收器串联谐振(P/S)；发射器并联谐振，接
收器并联谐振(P/P)，如图2所示。

参考文献[8]提出了一种新的发射器和接收器
拓扑，发射器和接收器都是由串并联混合谐振电路
组成，如图3所示。

对S/S、P/P、S/P和串并联混合谐振4种拓扑进
行比较，如表1所示。

图1 有中继谐振器的无线电能传输系统
图2 4种常见谐振器拓扑
图3 串并联混合谐振器
优缺点S/S型谐振器拓扑P/P型谐振器拓扑S/P型谐振器拓扑串并联混合型谐振器拓扑优点
对寄生电阻不敏感，具有
较高的最大传输效率。

可以克服S/S拓扑的缺点。

接收端并联谐振，适合于电池充
电器，发射端串联谐振，可以降
低对电源电压额定值的要求。

比S/S谐振模型有更远的有
效传输距离，比P/P谐振模
型有更高的传输效率。

缺点
电感值增大时，线圈尺寸
增大，将带来较大的系统
损失和效率的降低。

对寄生电阻很敏感，使传
输效率受到很大影响。

不具备S/S、P/P的优点。

电路拓扑结构比较复杂。

表1 4种谐振器拓扑优缺点比较
传输距离d/cm<3040～6060～80
中继谐振器个数012
表2 中继谐振器个数与传输距离的关系
明与线圈的半径和圈数有关，最大的传输效率在不
同的传输距离处达到[13]。

3)在参考文献[7]中，通过控制发射线圈和接
收线圈的负载效应或者通过改变电源的驱动频率来
对发射距离进行调整。

然而，这种调整旨在谐振频
率分叉出现的小范围内改善系统的特性。

最大可用
距离仍然被磁场耦合的减弱所限制。

1.1.4 传输效率的提高
无线电能传输系统的效率定义为负载上的功率
与电源端的功率之比。

影响传输效率的因素主要有
负载的变化，接收元件位置的变化和非谐振物体的出现等[9]。

针对已有文献中提到的提高传输效率的方法总结如表3所示[14-15]。

1.1.5 传输功率的提高
在不同的场合下，提高无线电能传输的传输功率的方法也各不相同，如表4所示。

1.1.6 谐振频率分裂现象及解决方法
发射器和接收器的谐振频率是W P T系统中很重要的参数。

它们必须首先被知道，并且应当被调整以使它们互相匹配[9]。

参考文献[7]中，用参数S21幅值表示系统的传输效率。

谐振频率个数、传输效率、S21幅值、耦合程度随发射和接收线圈之间的距离的变化见表5。

对于多接收器的系统，当接收器之间距离足够近时，容易出现频率分裂的现象。

而用于跟踪谐振频率转移和调整接收器线圈电容的控制电路可以解决这一问题[10]。

1.2 国内研究现状
哈尔滨工业大学从2007年开始研究这一领域。

制作了无线能量发射装置、接收装置和传输装置，建立了能量传输的数学模型，实验研究了传输距离特性和提高传输距离的方法。

对中继式能量传输特性和用于无线传感器网络的磁共振式WPT系统进行了研究[16-19]。

提出了一种磁耦合谐振式WPT的驱动装置结构，还对磁耦合共振式WPT进行了损耗分析[20-21]。

重庆大学解决了无线电能传输的关键技术难题，建立了完整的理论体系[22]。

自主开发了基于磁耦合谐振模式的WPT样机装置，其能量传输距离为0.8m，传输功率60W，传输效率52%[23]。

针对空间分布的多设备供电问题提出了分布式无线电能传输网概念，并给出了其平面型自组织网络结构。

在此基础上，提出了基于磁耦合谐振模式的节点能量传输模式及节点的结构，并比较分析了分布式无线电能传输网和传统点对点传输模式的能量传输效率[24]。

香港理工大学对电磁感应式和磁耦合谐振式WPT 技术都进行了研究，并将两者做了比较。

在磁耦合谐振式WPT实验中，当传输距离为20cm时，传输效率为46%。

而若用电磁感应式WPT实现相同的传输效率，则传输距离在0.5cm之内[25]。

华南理工大学主要从电路的角度分析了WPT的传输效率与距离、线圈的尺寸等的关系。

设计了不同线圈尺寸的WPT装置，通过对比来实现WPT的优化目标。

还设计了频率跟踪系统以解决磁耦合谐振WPT 系统中的频率失谐带来的传输效率降低的问题[26-27]。

多个接收负载的情况下，对发射端和接收端不同位置，并考虑接收端之间的相互影响，做了理论分析和实验验证[28]。

使用的是考毕茨振荡电路产生高频信号并经过桥式推挽型功率放大电路放大[26]，也有采用E类功放电路[28]。

东南大学于2010年研制出的新一代磁耦合谐振式无线输电样机及其控制系统，可实现1.5m、200W 的功率输出，传输效率达80%；传输距离0.4m时，可实现1000W的功率输出。

天津工业大学研究了磁耦合谐振W P T系统的数学模型，分析了系统特性，还对磁耦合谐振W P T系统进行了数值仿真和实验研究。

还分析了影响无接
表3 几种提高传输效率的方法提高效率方法原理
阻抗匹配阻抗匹配电路可以用来补偿两个谐振回路的谐振频率不同所带来的细微误差。

改善谐振电路拓扑采用串并联混合谐振电路拓扑的WPT系统的传输效率有很大的改善。

使用中继谐振器使用中继谐振器的场合，把中继谐振器稍微靠近发射器可以提高整体的效率。

使用特殊材料
在发射器和接收器之间加上附加的材料。

例如，相对磁导率μr=-1的异向性材料被用于提高给定距离下的传输效率。

自适应频率调节补偿当发射器和接收器之间的距离或者方向变化时带来的效率的变化。

消除非谐振物体的影响当非谐振物体离接收元件很近时，非谐振物体的出现对电能传输效率下降的影响很严重。

优化负载存在一个最优化的负载电阻来使已知的系统达到最大的传输效率。

提高品质因数品质因数代表着系统的谐振程度，在磁耦合谐振中，自谐振线圈的品质因数越高，所能达到的传输效率也越高。

使用场合提高传输功率方法
使用中继谐振器当中继谐振器的个数为奇数时，在原始谐振频率处传输功率达到最大，中继谐振器应当放在靠近低品质因数谐振器的位置来最大化传输功率。

电源为电压源输入阻抗的串联谐振频率与采用交流电压源的频率一致时传输的功率最大。

电源为电流源
输入阻抗的并联谐振频率与采用交流电流源的频率一致时传输的功率最大。

表4 几种提高传输功率的方法
发射与接收线圈间距离耦合程度S21幅值传输效率
谐振频率
个数
较近过耦合较低较低 2
增大降低增加增加2
关键距离关键耦合最大最高1
进一步增大欠耦合降低降低1
表5 几种参数变化趋势
3
触供电系统效率的影响因素[29]，研究了磁耦合谐振式WPT系统的频率分裂特性[30]。

2 磁耦合谐振式WPT技术存在的问题
在理论研究方面，在开关非线性和磁路非线性条件下，如何建立无线电能传输系统的模型，并进行优化和控制是磁耦合谐振式W P T系统的一大难题。

此外，传输效率、传输功率与线圈特征尺寸、谐振频率、传输距离之间的关系，能否使用较为准确的函数关系来表达，都是有待研究的问题。

在实用装置研究方面，如何由工频电源经过电力电子变换电路变换为高频交流电需要进行深入研究；在保证较高的电能传输效率和较远的传输距离的前提下，减小谐振线圈的尺寸是磁耦合谐振式W P T技术走向实用化的重要一步；对于一个磁耦合谐振式W P T系统，如何检验发射器和接收器已经处于共振状态，在因负载波动等因素而导致频率失谐时，频率控制电路是保证W P T系统高传输效率的关键。

3 磁耦合谐振式WPT技术的应用前景
1)家电领域
手机、笔记本等便携式设备的电池续航能力不足，需要频繁充电，经常插拔充电器，若采用无线电能传输技术，无需电线，不用插拔，简单方便且可为多个设备同时充电；厨房小家电也越来越多，且都需要经常插拔，使得桌面非常凌乱，并且存在溅水短路等安全隐患，WPT技术保证表面溅水仍然正常工作，不会短路漏电，非常安全；对于家用净水器，由于在净水器中使用的是紫外杀菌灯，需要工作在有水的环境中，但电气连接很难进行可靠性设计，有了WPT技术，就免去了电气连接，不会短路，安全可靠。

2)汽车领域
首先，对于车载手机充电器，在汽车颠簸行驶中，手机与充电器很难稳定可靠连接，插拔也不方便，临时来电接听拖尾，很不方便。

采用W P T技术，没有线，充电稳定可靠，不用频繁插拔，可随时接听电话，非常方便。

其次，对于电动汽车，充电需要连线，使用非常不方便，有了W P T技术，可以随时充电，不用连线。

3)医疗器械领域
对于心脏起搏器、耳蜗等体内植入设备，每隔一段时间都要进行手术以更换电池，而W P T技术的出现，可以不用手术，极大地减轻了病人的痛苦。

4)特殊行业
对于石油/船舶行业，工作环境恶劣，存在潮湿甚至泥浆等，仪器设备等的电气连接经常损坏，采用非接触式供电，可以实现彻底的电气封闭，不会短路，安全可靠。

对于煤矿/化工行业，存在易燃易爆等危险气体，接触式的电气连接容易导致火花，引起爆炸，无线充电技术没有电气接触，不会产生电火花，保证人身财产安全。

4 结语
磁耦合谐振式WPT技术自提出以来就引起了广泛的关注，近几年的研究取得了一定的成果，但是也存在着一些问题。

需要研究者开阔思路，对在理论和使用装置上存在的问题做更多更深入的研究，相信在不久的将来，在各个领域都能看到磁耦合谐振式WPT技术的应用。

参考文献
[1] 王洪博，朱轶智，杨军，等.无线供电技术的发展
和应用前景[J].电信技术，2010(9)：56-59.
[2] Karalis Aristeidis, Joannopoulos J D,
Soljacic Marin.Wireless Non-Radiative Energy Transfer.The AIP Industrial Physics Forum [EB/OL].(2006-11-15)[2012-10-12].http://www.
/ca/2006/soljacic.pdf.
[3] Thomas E M, Heebl J D, Pfeiffer Carl, et al.
A Power Link Study of Wireless Non-Radiative
Power Transfer Systems Using Resonant Shielded Loops[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers,2012，59(9)：2125-2136.
[4] Sunkyu Kong, Myunghoi Kim, Kyoungchoul
Koo,et al.Analytical Expressions for Maximum Transferred Power in Wireless Power Transfer Systems[C]//2011 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC)，2011.
[5] Mur-Miranda Jos＇e Oscar, Fanti Giulia,
Yifei Feng, et al.Wireless Power Transfer U s i n g W e a k l y C o u p l e d M a g n e t o s t a t i c Resonators[C]//Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，2010.
[6] Seung-Hwan Lee, Lorenz R D.A Design Methodology
for Multi-kW, Large Air-Gap, MHz Frequency, Wireless Power Transfer Systems[C]//Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2011.
[7] Sample A P,Meyer D A,Smith J R,et al.
Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators
f o r W i r e l e s s P o w e r T r a n s f e r[J].I E E E
Transactions on Industrial Electronics,2011，58(2)：544-554.
[8] Chen Linhui, Liu Shuo, Zhou Yongchun, et al.
An Optimizable Circuit Structure for High-
Efficiency Wireless Power Transfer [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013，60(1)：339-349.
[9] Yuan Qiaowei,Chen Qiang,Li Long,et al.
N u m e r i c a l A n a l y s i s o n T r a n s m i s s i o n Efficiency of Evanescent Resonant Coupling W i r e l e s s P o w e r T r a n s f e r S y s t e m[J].
I E E E T r a n s a c t i o n s o n A n t e n n a s a n d
Propagation,2010，58(5)：1751-1758.
[10] C annon B L, Hoburg J F, Stancil D D, et al.
Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009，24(7)：1819-1825.
[11] D ukju Ahn, Songcheol Hong.A Study on
Magnetic Field Repeaters in Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013，60(1)：360-371.
[12] Z hong W X, Lee C K, Hui S Y R.General Analysis
on the Use of Tesla’s Resonators in Domino Forms for Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013，60(1)：261-270.
[13] I mura Takehiro, Hori Yoichi.Maximizing Air
Gap and Efficiency of Magnetic Resonant Coupling for Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit and Neumann Formula[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011，58(10)：4746-4752.
[14] C hoi J, Seo C H.High-efficiency wireless
e n e r g y t r a n s m i s s i o n u s i n g m a g n e t i c
resonance based on negative refractive index metamaterial[J].Progress in Electromagnetics Research，2010，106：33-47.
[15] K udo Hiroki, Ogawa Kenichiro, Noriaki Oodachi,
et al.Detection of a metal obstacle in wireless power transfer via magnetic resonance[C]//2011 IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference(INTELEC)，2011.
[16] 任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究
[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[17] 张小壮.磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及
其实验装置研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[18] 曲立楠.磁耦合谐振式无线能量传输机理的研究
[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[19] 毛银花.用于无线传感器网络的磁共振式无线能量
传输系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [20] 于春来，朱春波，毛银花，等.谐振式无线能量传输
系统驱动源[J].电工技术学报，2011，26(S1)：177- 181.
[21] 朱春波，于春来，毛银花，等.磁共振无线能量
传输系统损耗分析[J].电工技术学报，2012，27(4)：13-17.
[22] 孙跃，王智慧，戴欣，等.非接触电能传输系统
的频率稳定性研究[J].电工技术学报，2005，20(11)：56-59.
[23] 翟渊，孙跃，戴欣，苏玉刚，等.磁共振模式无线
电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报，2012，32(12)：155-160.
[24] 孙跃，戴欣，唐春森，等.分布式无线电能传输网
[J].电力电子，2010(3)：59-61.
[25] 张超.磁耦合谐振无线电能传输系统共振器的仿真
和实验研究[D]．天津：河北工业大学，2011. [26] 傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电
能无线传输的最大效率分析与设计[J]．中国电机
工程学报，2009，29(18)：21-26.
[27] 傅文珍，张波，丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能无
线传输系统研究[J].变频器世界，2009(8)：41-46.
[28] 张青.谐振耦合式无线输电多载系统建模及特性研
究[D].广州：华南理工大学，2011.
[29] 马纪梅，杨庆新，陈海燕.影响无接触供电系统效率
的因素分析[J].电工技术学报，2010，25(7)：19-22.
[30] 张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式传能
系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报，2012，32(9)：167-173.
收稿日期：2012-10-15
5。