令人期待的无线电力传输及其发展

技术前沿
Technology Forward Position
令人期待的无线电力传输及其发展
合肥市科技情报研究所 古丽萍
摘要
无线电力传输作为一项新兴的电力传输技术，近年来受到了国际范围的广泛关注。

本文概述了无线电力传输
及其分类和应用，回顾了无线电力传输的发展历程，介绍了无线电力传输和无线充电在国内外的研发和应用，并对 无线电力传输和无线充电面临的问题及发展对策作了探讨。

关键词 无线电力传输 电磁感应 无线充电 应用 发展
如今， 越来越多的电子产品为人们 的工作生活带来了极大的便捷， 但传统 的电力传输方式大多是通过导线或插座 将电力传输到终端产品。

随着移动设备、 无线数据传输、 无线网络技术的日益普 及， 人们希望能摆脱传统电力传输方式 的束缚， 解除纷乱电源线带来的困扰。

由此， 线电力传 输 技术成为 21 世 纪 无 最值得期待的技术， 无线充电产品成为 人们关注的新焦点。

目前， 全球许多国家 都在研究开发无线电力传输技术， 探索 无线电力传输系统在不同领域的应用， 致力于将其实用化。

Coupled Power Transmission， ICPT）主要以磁场为媒介， 利用变压器 耦合， 通过初级和次级线圈感应产生电 流， 电磁场可以穿透一切非金属的物体， 电能可以隔着很多非金属材料进行传输， 从而将能量从传输端转移到接收端， 实 现无电气连接的电能传输。

电磁感应传 输功率大， 能达几百 kW。

电磁感应原理 的应用受制于过短的供电端和受电端距 离， 一般适用于小型便携式电子设备供 电。

短程传输距离上限是 10 厘米， 而另 外两种方式则可突破这一制约。

中程 传 输是 基 于电磁 耦合共 振 原 理 或 以电 磁 波 射 频 来 实 现 的。

电 磁 耦 合 共 振 电 力 传 输（Electro-magnetic Resonant Power Transmission， ERPT）主要是利用接收天线固有频率 与发射场电磁频率相一致时引起电磁共 振，发 生强电磁耦合的工作原 理， 过 通 非辐射磁场实现电能的高效传输。

电磁 共振型与电磁感应型相比， 采用的磁场 要弱得多， 传输功率可达几 kW， 可以实 现更长距离的传输， 传输距离可达 3~4 米。

射频电能传输（Radio Frequency Power Transmission， RFPT） 主 要 通过功率放大器发射射频信号， 然后通
过检 波、高频 整流后得到直流电， 供负 载使用。

射频电能传输距离较 远， 能达 10 米，但 传 输 功 率 很 小，为几 mW 至 100mW，两个具有 相同频 率 的谐 振 物 体能很有效地交换能量。

中程传输可为 手机、 MP3、 汽车配件、 体温表、 助听器 及人体植入仪器等提供无线电力传输。

远 程 传 输可 利用微 波 或激 光 形式 来 实 现 电 能 的 远 程 传 输。

微 波 或 激 光 发 射 到 远 端 的 接 收 天 线，然 后 通 过 整 流、 调制等处理后使用。

除铺设输电线 路困难的地区之外， 远程传输对于太空 科技领域如人造卫星、 航天器之间的能 量 传 输以 及 新能 源 开发 利用如太 空 太 阳能发电站“隔空”给地球无线供电等 都有着重要的战略意义。

微波电能传输 （Microwave Power Transmission， MPT）是将电能转化为微波， 让微波经 自由空间传送到目标位置， 再经整流， 转化成直流电能， 提供给负载。

微波已 广泛应用于微波炉、 气象雷达、 导航和移 动通信等领域。

微波电能传输适合应用 于大范围、 长距离且不易受环境影响的 电能传输， 如空间太阳能电站、 轨道 低 和同步轨道卫星供电等。

激光电能传输 （Laser Power Transmission， LPT ）
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1. 无线电力传输及其分类
无线电力传输（Wireless Power Transmission， WPT）也 称 无 线 能 量 传输或无线功率传输， 它通过电磁感应 和能量转换来实现。

无线电力传输主要 通过电磁感应、 电磁共振、 射频、 微波、 激光等方式实现非接触式的电力传输。

根据在空间实现无线电力传输供电距离 的不同， 可以把无线电力传输形式分为 短程、 中程和远程传输三大类。

短程传输可通 过电磁感应来实 现。

电 磁 感 应 电 力 传 输（Inductively
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蜗植入装置供电等， 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 太阳能卫星模拟图 是利用激光可以携带大量的能量， 用较 小的发射功率实现较远距离的输电。

激 光方向性强、能量 集中， 不存 在干扰通 信卫星的风险， 但障碍物会影响激光与 接收装置之间的能量交换， 射束能量在 传输途中会部分丧失。

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 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 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。

3. 无线电力传输的发展历程
无 线 电 力 传 输 研 究 始 于 19 世 纪 末。

1890 年，尼 古 拉 ·特 斯 拉 （Nikola Tesla）做了无线输电试验， 他构想的无 线 输电方法， 把 地 球作为内导体、地 是 球电离层作为外导体， 通过放大发射机 以径向电磁波振荡模式， 在地球与电离 层之间建立大约 8Hz 的低频共振， 再利 用环绕地球的表面电磁波来传输能量。

但因财力不足， 特斯拉的无线输电构想 并 没 有 得 到 实 现。

1964 年， William C. Brown 研发出将微波转换成电流的硅整 流二极管天线。

1967 年， 美国空军同雷 神公司合作进行了世界上首次电力微波 传输试验， 成功地通过微波向模拟直升 机提供电力。

1968 年， 美国工程师彼得 格 · 拉泽 (Peter Glaser) 提出空间太阳能发 电 (Space Solar Power， SSP) 概 念， 其构想是在地球外层空间建立太阳能发 电基地， 通过微波将电能传输回地球， 并 通过整流天线把微波转换成电能。

1979 年，美国 航 空 航 天 局 NASA 和美国能源部联合提出太阳能计划— 建 立“SPS 太 阳 能 卫 星 基 准 系 统” 。

1994 年，科 学 家 利 用 微 波 成 功 地 将 5kW 的电力送达 42m 处。

1995 年， 美 国航空暨太空总署 (NASA) 建立了一个 集研究、 技术与投资于一体的 250MW 太阳能动力系统 (SPS)。

2001 年 5 月，
2. 广泛的应用领域
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、 能 环保、 携 节 便 式通信设备等行业。

随着材料学、 电力 电子器件、 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。

WPT 技术大多处在研究阶段， 目前 产品应用的主要是 ICPT 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。

富士通的无线充电技术点亮两个灯泡
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法国国 家 科 学 研 究中 心 的皮 格 努莱 特 (G. Pignolet) 利 用 微 波 进 行 长 距 离无 线输电试验。

一部发电机发出的电能首 先通过磁控管被转变为电磁微波， 再由 微波发射器将微波束送出， 40m 外的接 收器将微波束接收后由变流机转换为电 流， 然后将 200W 的电灯泡点亮。

2003 年， 欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一个 10 万 kW 的实验型微波输电装置， 实现 了以 2.45GHz 频率向接近 1km 的格朗 巴桑村 (Grand-Bassin) 进行点对点无 线供电。

2007 年 3 月，美 国 宾 夕法 尼 亚 州 Powercast 公司开发无线充电技术， 可 为各种耗电量相对较低的电子产品充电 或供电， 诸如手机、 MP3、 随身听、 温度 传感器、 助听器、 汽车零部件， 甚至体内 植 入 式 医 疗 装 置 等。

2007 年 6 月，麻 省理工学院助理教授马林 ·索尔贾希克 (Marin Soljacic) 带领的研究团队利用 无线输电技术试制出的无线供电装置， 成 功 点 亮 相 隔 7 英 尺 ( 约 2.1m) 远 的 60W 电 灯泡。

2007 年， 软 亚 洲研 究 微 院设计和实现了一种通用型无线供电桌 面， 随意将笔记本电脑、 手机等移动设备 放置在桌面上， 即可自动开始充电或供电。

2008 年 9 月， 特 尔在 美国内华 达 州 英 的雷电实 验 室 成 功地 将 800W 电力用 无线的方式传输到 5 米外。

2008 年 11月， 英特尔利用 “无线能源共振链接” （WREL） 技术， 通过无线方法将电力传输到工作 台上 的 60W 台 灯 并点 亮。

2008 年 12 月，无 线 充 电 联 盟 (Wireless Power Consortium) 成立， 无线充电联盟是业 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。

2008 年年底， 美国微软亚洲研究院研发出无 线充电板装置 uPad 样机。

2009 年 1 月， 摩托罗拉公司在 CES2009 大会上展示 了 Fulton 公司为其智能 手 机 推出的无 线充电器。

2010 年 4 月， 麻省理工学院 研究人员实验发现， 当为更多的设备供 电时， 无线电力传输系统的效率更高。

实 验使用较小的接收线圈， 使这项技术更
易于应用于家庭、 办公室、 便携式设备等， 英特尔和索尼利用这项研究成果推出自 己的无线电力计划。

2010 年 8 月， 国际 无线充电联盟发布 Qi 无线充电国际标 准。

磁场可以作为能量无线传输的载体， Qi 标 准 正 是 建 立在 这一 理论之 上的。

2011 年 5 月， 美国杜克大学（Duke）开 发出一种新型超材料超透镜， 理论上这 种材料可给笔记本电脑和手机等小设备 无线充电， 也可给电动汽车充电。

国 Powercast 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。

Powercast 公司可将无 线电波转化成直流电， 并在约 1 米范围 内为不同电子装置的电池充电。

该技术 已应用于美国匹兹堡一家动物园， 动物
4. 世界各国竞相研发无线电力传输
无线电力传输对于新能源的开发和 利用、 解决未来能源短缺问题有着重要 的意义， 为了摆脱地球环境和能源危机， 人们计划建立太空太阳能发电站作为获 取新能源的途径， 而无线电力传输技术 发挥 着非常关键的作用。

因此， 许多国 家都热衷于无线电力传输的研究和开发， 并 获 得了一 定 的 技 术 突 破 和 相 应 的 实 用产品。

手机的非接触充电技术同样获 得发展， 许多大公司都看好这一产品的 发 展 前 景，苹 果、摩 托 罗 拉、 LG、 NTT DoCoMo 等消费电子公司都在发展自 己 的 无 线 充 电 产品，苹 果计 划 在 iPod 和 iPhone 产品中嵌入无线充电技术。

美国宇航局尝试从地球通过激光束给飞 行 器 供电， 初步取得了一 些 成 果， 不过 离实用非常遥远。

美国计划 2025 年在 太空建造 100 座太阳能电站， 满足美国 30% 的 电 力需 求。

日本大 力研 究 无 线 电力传输技术， 计划在 2015 年前后将 其投入居民生活中。

日本 20 世纪 80 年 代展开太空太阳能相关研究， 目标是在 2020 年建造试验型太空太阳能发电站 SPS2000， 2030 年前向太空发射一颗 对 地静止 卫星， 为地 球 上 50 万户家庭 提供 10 亿瓦电能， 2050 年进入规模运 行。

对于太空电站产生的电能， 法国计 划在同步轨道上安置一面直径为 1 公里 的镜子， 将呈微波状态的电能反射传输 到需要它的地方。

美国的进展： 美 国 MIT、 Powercast 等 公 司 的 数米距离电力传输技术受到了关注。

美 园采用无线输送微弱电力方法， 对企鹅 笼舍中温湿度传感器充电电池进行远程 充电。

美国 Palm 公司将无线充电应用 在手机上， 推出充电设备 “触摸石” 可 ， 以利用电磁感应原理为手机进行无线充 电。

美 国 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。

戴尔公司在 Latitude Z 系列笔记本电脑中采用了无线充电技 术。

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。

美国 Power 公司开发 的 电 波 接收 型电能储存 装 置 是以 美国匹兹 堡大学研发的无源型 RFID 技术为基础 的， 通过射频发射装置传递电能。

美国 WildCharge 公司开发的无线充电系统， 充 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。

日本的进展： 日本株式会社村田制作所采用电场
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松下的太阳能桌子
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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， 将笔记 本电脑、 机、数码照相机等设备放在 手 充电器上， 无须特别调整充电位置就可 进行充电。

NTT DoCoMo 等移动通信 运营商积极采用非接触充电技术， 松下 正 在 联 手 NTT DoCoMo 开发 无 线 充 电器。

1995 年， 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 波电力无线输电系统， 3m 的抛物面 其 天线可准确为飞艇输电。

2006 年， 日本 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， 厚度约 1mm、 面 可贴在桌子、 积约 20cm 、重约 50g， 地 板、墙壁 上， 为圣 诞 树上的 LED、装 饰灯、 鱼缸水中的灯泡或小型电机供电， 当 电 器 进 入 薄 膜 2.5cm 范 围 内，电 感 线圈可向设备进行无线供电。

2007 年， 日本东北大学试制出可从外部向植入眼 球的人工视网膜 用 LSI（Large-Scale Integration， 大规模集成电路）进行无 线 供 电 的 系 统。

2009 年 7 月，日 本 昭 和 飞 机 工 业 公 司 在 AT International 2009 展会上，展出了基 于电磁 感 应 原 理无线传输电力的非接触式电源供应系 统。

2010 年 9 月， 日本富士通公司利用 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。

2011 年 3 月， 松下推出了内置太阳能板的桌子， 桌 子中间是一个大大的太阳能板， 桌边白 色框就是无线充电垫， 可为移动设备提 供电力。

2011 年 8 月， 日本宽带无线论 坛的无线电力传输工作小组以实现无线 供电技术的早期实用化为目的， 制定了 无线供电相关的指南， 让用户能够安全 利用无线供电。

英国和以色列的进展： 2005 年 年 初， 英 国 剑 桥 SplashPower 公司开发出的商业化无 线充电器上市， 安装了电能接收器的便 携终端可放到上面充电。

英国 HaloIPT 公司利用其研发的感应式电能传输 技 术 实 现 了为 电 动 汽 车 充 电，并 计 划 2012 年为其研发的感应式电能传输技
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术建立一个商业规模示范基地。

以色列 Powermat 公 司 开 发 出 可 传 输 100W 电力的新型无线电源， 可为 4 ～ 5 个中 型电器和一些小电器供电。

无线电源有 一个基座和一个将电磁波转换为电流的 “标签” 将带有 ， “标签”的电器放到垫 子上或垫子附近， 即可获得电力。

6. 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， 体效率差， 整 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。

无线电力传输是一项很有发展前途的 新技术。

未来， 无线电力传输将不断融入人 们的生活， 改变人们的生活方式， 让人们真 正进入无线时代。

有一天， 小功率电器、 家 用电器设备、 医疗设备、 电动工具、 办公室 电器、 厨房电器等都可以实现无线充电， 无 线电力传输将会掀起一场 21 世纪的家居革 命。

而太空远程无线电力传输计划， 也有望 为人类找到新的能源提供帮助。

5. 无线电力传输在中国的发展
我国无线电能传输技术相关研究和 应用正在起步。

2004 年， 双飞燕公司推 出了 “免电池” 无线鼠标， 鼠标垫通过连 接电脑 USB 接口获得电能。

2005 年， 比亚迪申请了应用电磁感应技术的非接 触感应式充电器专利。

另外， 安利净水 器采用了富尔顿无线充电技术， 广东深 圳高倚盛推出了GYS-1型无线充电器， 江苏常熟合众环保能源技术研究所实现 了对新能源汽车距离数十厘米的无线电 能传输。

中国香港城市大学研制出基于 ICPT 的手机、 MP3 等便携式通信设备 充电平台， 可将数个电子产品放在一个 充电平台上通过低频电磁场充电。

全球 无 线充电 联 盟 2010 年 9 月将 Qi 无 线 充电国际标准引入了中国。

山东青岛在无线电力传输研究上处 于全国领先水平， 无线电力传输技术攻 关和相关产业发展已列入青岛 “十二五” 期间重点目标任务。

2010 年 CES 展会 上， 海尔应用无线电力传输技术推出了 一款无尾电视。

2011 年 4 月， 青岛市科 技发展战略研究所、 山东科技大学、 青 岛科技大学、 海尔集团超前技术研究中 心共同绘制完成了 “无线电力传输产业 技术路线图” “无线电力传输产业技术 。

路线图” 从资源基础、 研发需求、 技术壁垒、 行业需求、 产业目标 5 个层次， 描绘出青 岛市发展无线电力传输产业的科学路径， 并提出了相应的对策和建议。

未来 5～10 年， 无线电力传输这一战略性新兴产业 将达到近千亿元的产业规模， 并可培育 成青岛市 新的 经 济增长点。

2020 年有 望突破恶劣环境下的无线供电技术， 实 现电力无线远距离传输， 产业规模预计 将达到 500 亿～ 1000 亿元。

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