1.4　國內外無線電能傳輸技術研究進展

近年來，無線電能傳輸技術以其安全性好、可靠性高、維護費用低以及環境親和性強等優點得到了快速發展，國外越來越多的學者和公司開始關注和發展非接觸電能傳輸技術。目前新西蘭、德國、美國和日本等國家相繼投入大量的人力和物力，開展此領域的基礎研究與實用技術開發，并針對一些特殊領域開發了相應的產品。

1.4.1　無線電能傳輸技術的研究現狀

無線供電技術雖然已經誕生了100多年，但是無線電能傳輸技術的研究受到各國的重視卻始于20世紀90年代后期。國外研究以新西蘭為代表，該國奧克蘭大學Pro. Boys及其領導的課題小組對該技術開展了系統深入的研究，日本、德國和美國等國也相繼投入經費，組織科研人員在該領域展開科學研究，從事無線供電的應用產品開發，并取得一系列的技術成果和應用產品。2001年西安石油學院李宏教授在國內第一次介紹感應電能傳輸思想以來，部分高校進行了該技術的研究工作，一些公司、企業和個人也開展研究，目前取得的技術成果及應用產品較少，但發展進步速度很快。

無線電能傳輸系統的研究應用涉及領域廣泛。從傳輸功率方面來說，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設備的幾十瓦功率，大到電動汽車或運動機器人的上千瓦功率甚至于磁懸浮列車應用的上兆瓦功率。

2001年，比利時的G.Vandevoode指出高電壓大功率情況下傳輸效率受初、次級線圈的耦合系數的影響比較大，而在低電壓小功率的情況下，傳輸效率的影響因素以次級結構為主、耦合系數為輔。因此，對于傳輸功率大小不同的場合，參數要求和結構樣式有著很大的不同。

對于小功率應用，結構設計上對初、次級繞組的阻抗參數、尺寸大小、次級整流電路等參數有著比較高的要求。簡單地說就是次級部分尺寸足夠得小、能耗少，部分應用還要求在能量波中載入信號波。

對于大功率電能傳輸，無線供電系統是一種適應全天候、安全、高效地進行電能傳輸的先進電能傳輸方法，彌補了傳統的傳導充電方法在適應性、安全性與自主充電方面的不足。功率開關器件和高性能磁性材料的誕生使得它在開關速度、大小及功率變換器的效率等方面得到了顯著的改進，新的控制方法的出現和新型控制策略的改進進一步提高了變換器的效率。正因為有著眾多的獨到之處，無線電能傳輸技術在交通行業、采礦勘探及制造業等許多方面有著廣泛的應用前景。

隨著技術的成熟和應用上的進步，無線電能傳輸技術吸引了越來越多的研究者，其理論和應用范圍都已經逐漸擴大，從而成為電力電子技術及應用上新的研究熱點。新西蘭在無線電能傳輸領域具有明顯優勢；美國和日本則后來居上，反映出其對新技術的敏感、重視及國家技術實力；德國、南非、韓國、英國、加拿大、中國的研究也有一定成績。

美國、日本等國眾多企業或研究機構競相研發無線電能傳輸技術，探索無線電能傳輸系統在不同領域的應用，致力于將其實用化，目前，已獲得了一定的技術突破，相應產品也陸續面世。美國電子信息企業對短距離電力傳輸技術給予極大投入。Power Cast 公司利用電磁波損失小的天線技術，借助二極管、非接觸IC卡和無線電子標簽等，實現了效率較高的無線電力傳輸，將無線電波轉化成直流電，并在約1m范圍內為不同電子裝置的電池充電。Palm 公司將無線充電應用在手機上，推出充電設備“觸摸石”，利用電磁感應原理為手機進行無線電能傳輸。Powermat 推出的充電板有桌面式和便攜式等多種，主要由底座和無線接收器組成。Fulton 公司開發的eCoupled 無線充電技術，充電器能夠自動地通過超高頻電波尋找待充電電器，動態調整發射功率。Visteon 公司計劃為摩托羅拉手機和蘋果的iPod 生產eCoupled 無線充電器。Power Cast公司開發的電波接收型電能儲存裝置以美國匹茲堡大學研發的無源型 RFID 技術為基礎，通過射頻發射裝置傳遞電能。WildCharge 公司開發的無線電能傳輸系統，電板的外觀像一個鼠標墊，能夠放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高達90W 的功率，足以同時為多數筆記本電腦以及各種小型設備充電。

日本企業與研究機構也在無線電力傳輸技術領域投入了很多研發力量，2011 年，日本寬帶無線論壇的無線電能傳輸工作小組以實現無線電能傳輸技術的早期實用化為目的，制定了無線電能傳輸相關的指南，確保用戶能夠安全利用無線電能傳輸。企業方面，日本村田制作所采用電場結合型無線電力傳輸技術，與TMMS公司共同開發的無線電力傳輸系統，具有高效性和較大的位置自由度。NTT DoCoMo 等移動通信運營商積極采用無線電能傳輸技術，松下聯手NTT DoCoMo 開發無線充電器。昭和飛機工業公司研制出基于電磁感應原理無線傳輸電力的非接觸式電源供應系統。富士通公司利用磁鐵實現了設備在距離充電器最遠可達幾米遠的地方進行無線充電。松下推出了內置太陽能板的桌子，可為移動設備提供電力。

研究機構方面，日本郵政省通信綜合研究所和神戶大學工學部開發的5kW 微波電力無線電能傳輸系統，可準確為飛艇輸電。東京大學產學研國際中心開發的家用電器無線供電塑料膜片，可貼在桌子、地板、墻壁上，為小型電機供電。

從研究領域看，新西蘭在供電理論和實際應用方面均有多項成就，引領了該項技術的發展方向；美國和新西蘭相似，日本則側重于實用設計方案；德國在結構分析和優化領域有研究論文發表，加拿大將該技術應用于電力機車；南非研究了系統優化和變壓器設計，韓國涉及非接觸變壓器理論分析；中國在分離式變壓器、系統電路和應用領域各有所涉及。

從質量上看，新西蘭和美國研究水平較高，尤其是新西蘭在非接觸供電理論領域具有領先地位，提出了多種有價值的原創電路拓撲，美國則技術與應用并重；日本在該領域的實際應用方面具有較大優勢，開發出了多種實際供電系統；中國的原創性發明較少，申請專利多數為實用新型，且側重于某個具體方面的應用；德國和荷蘭分別在交通和電器領域有所成就。

國內在無線電能技術方面研究起步較晚，重慶大學、浙江大學、西安交通大學、中科院電工研究所、南京航空航天大學、西安石油學院、河北工業大學、鄭州大學、湖南大學、清華大學、北京科技大學、北京工商大學等單位在該領域都有研究。國內的研究機構主要進行一些基礎性研究工作，還未曾開展大規模的研究。哈爾濱工業大學朱春波教授采用直徑50cm螺旋銅線圈串接電容的方式構成諧振器，實現在0.7m距離傳輸23W的能量，在傳輸距離為55cm時負載電壓獲得最大值，其最高傳輸效率接近50%。重慶大學自動化學院孫躍教授帶領的課題組，攻克了無線電能傳輸的關鍵技術難題，建立了完整的理論體系，研制出的無線電能傳輸裝置能夠輸出600W到1000W的電能，傳輸效率為70%，并且能夠向多個用電設備同時供電，即使用電設備頻繁增加，也不會影響其供電的穩定性。香港理工大學傅為農教授帶領的課題組對感應耦合無線電能傳輸技術和磁諧振耦合無線電能傳輸技術進行了深入研究，并對2種無線輸電方式進行了比較。他們采用平面薄膜諧振器，實驗中，在發射諧振器和接收諧振器相距20cm時，傳輸效率為46%，諧振頻率為5.5MHz。華南理工大學張波教授帶領的課題組從電路角度分析諧振耦合無線輸電系統傳輸效率與距離、線圈尺寸等之間的關系，設計制作了多種不同線圈參數的諧振耦合無線輸電裝置，進行比較實驗，以實現系統優化目標，設計頻率跟蹤系統，解決了由于諧振效率失諧帶來的傳輸效率低下問題。南京航空航天大學航天電源實驗室也對電動汽車的無線電能傳輸技術的幾種模式進行了研究。中國科學院應用超導重點實驗室關于超導無線電能傳輸方面已經開展和正在進行的研究工作，指出了超導無線電能傳輸技術潛在的應用前景。上海交通大學系統地闡述了超穎材料在無線電能傳輸中應用時所涉及的部分理論與設計方法。從不同的出發點解釋了超穎材料改善無線電能傳輸性能的作用機理，分別介紹了超穎材料的負折射效應，磁偶極子耦合模型和電磁坐標變換理論。

綜合來看，國內在無線電能傳輸領域取得了一定的研究成果，但目前還存在一些問題，如集中投入精力、展開持續研究的單位少，一般應用型成果較多，電路拓撲探討和傳輸效率問題等深層次研究偏少，做出穩定、高效的實用樣機更少。

1.4.2　國內外理論研究進展

關于無線電能傳輸技術的理論研究主要集中在兩個領域：電能變換與補償、松耦合變壓器及結構設計。前者重要的研究成果有：建立松耦合感應電能傳輸系統的負載模型；研究解決變換電路高頻應用時的控制策略和頻率穩定性問題；諧振變換器頻率分析及最小功率因數分析；運用包含初、次級諧振電路的數學模型，研究頻率的分叉現象和最大能量傳輸之間的關系；考察了零相位角控制松耦合感應系統的穩定性判據，提出了保證任意負載穩定運行和能量傳輸的一般邊界條件；利用線性同軸線圈變壓器進行水下能量變換和配給系統的設計方法；將無線電能傳輸技術和超級電容技術聯系應用于UPS和能量供應等。

2012年，意大利佩魯賈大學的學者設計出具有不同頻率通道的能量傳輸系統并將能量和信息進行同時傳遞；2013年Olutola Jonaah等在混凝土結構中應用強耦合技術實現距離為10cm、濕度范圍在0.2%～38.5%、效率范圍在2%～38.5%的無線輸電實驗；2014年Davids Ricketts等設計了一種具有高品質因數的阻抗-頻率高準確度匹配三線圈結構，并通過無線電能最小功率傳輸實驗證明了該線圈結構的優越性，其傳輸性能在原來基礎上提高了約30%；2011年，美國華盛頓大學、匹茲堡大學醫學中心與英特爾宣布，基于磁耦合諧振無線電能傳輸技術，試制出了植入式人工心臟適用的供電系統，將裝有接收線圈的人工心臟放在盛滿水的容器中，實現了電能的無線傳輸；2012年日本宇航局與東京大學合作，針對未來低軌小衛星空間太陽能微波能量傳輸實驗研制了微波發射天線陣列，總功率可達到1.6kW。

2016年俄羅斯圣彼得堡大學的研究人員推出一種新的無線電能傳輸系統，可以在距離20cm內保持80%的電力傳輸效率，且期間傳輸效率隨著距離增加衰減極小。該研究成果刊登在最新一期的《應用物理快報》上，可用于需要隔空進行無線充電的領域。研究人員通過兩種方法減少了電力傳輸中的功率損耗，從而提高了WPT系統的效率。首先，用“高介電常數且低損耗介質諧振器”取代傳統的銅圈。其次，與通常使用的磁偶極子模式不同，研究人員采用磁四極模式，減少了輻射損耗。

國內在無線電能傳輸系統主電路頻率穩定性方面展開研究，用于保證系統最大功率傳輸，利用廣義狀態空間建立系統的數學模型，并解決了傳統非接觸電能傳輸裝置中磁場發射線圈和接收線圈之間存在角度限制的問題；中科院電工所分析研究了系統補償拓撲、運行頻率及負載參數對系統性能的影響，建立耦合結構的互感模型，得到初、次級線圈形狀和尺寸對耦合變化特性的影響；清華大學機器人技術及應用實驗室在大氣隙、非對稱結構高效電能傳輸及諧振電路拓撲、控制機理方面展開了研究。此外，還有結合DSP對非接觸供電的控制做研究以及電路系統的設計和優化等方面的研究。

香港城市大學的許樹源教授也是較早地涉足于電磁感應式無線電能傳輸技術的研究，他主要研究了PCB（Printed Circuit Board）空心變壓器以及基于此變壓器的平板式電池非接觸充電平臺，為手機等小功率消費電子產品的便捷安全充電提供了很好的解決方案；重慶大學孫躍教授課題組利用互感耦合模型，分析了磁共振模式電能傳輸系統的4種拓撲，給出了系統發射線圈恒流，輸出電壓恒壓的參數邊界條件且優化了系統的磁路機構；東南大學黃學良教授課題組提出了一種在給定工作頻率、傳輸距離下的盤式諧振器的優化與設計方法，研究傳輸效率及輸出功率與線圈距離、工作頻率、負載電阻之間的關系；哈爾濱工業大學朱春波教授課題組分析了中繼線圈在諧振頻率時的工作特征以及電流放大的理論機理和單管E類功率放大器的負載阻抗特性及影響負載網絡的因素；華南理工大學張波教授課題組從電路角度分析了磁耦合諧振傳能系統的傳能效率與距離和線圈參數的關系，在此基礎上加入頻率跟蹤系統用以解決傳輸過程中由于頻率失諧帶來的傳輸效率低的問題；清華大學趙爭鳴教授課題組分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的基本結構和工作原理，并對無線電能傳輸系統中兩線圈和四線圈基本結構進行比較，得出了在傳輸效率相同的情況下，增加源線圈和負載線圈的四線圈結構更容易實現一次側和二次側匹配的結論；香港理工大學傅為農教授課題組與武漢大學王軍華教授合作研制了一種平面螺旋諧振線圈，在發射諧振線圈和接收諧振線圈相距20cm時，諧振頻率為5.5MHz，傳輸效率為46%；四川大學于2013年9月建立了千瓦級、千米級無線能量傳輸試驗裝置；本書作者也多年從事無線電能傳輸方面的研究工作，并與2013年出版了國內第一部相關學術專著《無線供電技術》。

2001年5月，國際無線電力傳輸技術會議在法屬留尼汪島召開期間，法國國家科學研究中心的皮格努萊特， 利用微波無線傳輸電能點亮40m外一個200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45GHz頻率向接近1km 的格朗巴桑村進行點對點無線供電。

從技術標準方面，全球首個推動無線電力傳輸技術的標準化組織“無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，WPC）”于2008年年底成立，這是業界第一個推動無線充電技術標準化的組織，涵蓋電池、消費電子、芯片、設備制造、基礎設施及無線充電技術等領域。目前，聯盟超過100家，包括Convenient Power、Duracell、Hosiden、Fulton Innovation、Leggett& Platt、美國國家半導體、諾基亞、奧林巴斯、飛利浦、三星電子、三洋電機及德州儀器等，涵蓋電池、消費電子、芯片、設備制造、基礎設施及無線充電技術等領域。

2010年，無線充電聯盟制定并發布了無線電力傳輸的全球標準Qi。自發布以來，Qi已經演進到1.0.3版本，目前主要支持低功率設備，功率最高5W。早期支持Qi標準的設備，接收端主要以保護套的形式套在移動設備上，而從2011年開始，一些廠商已經將接收端集成到了手機當中。Qi主要的推動力來源于電信運營商，如Verizon要求手機廠商必須支持該種標準，從而確保用戶可以隨時隨地地應用Verizon的網絡，而在日本，電信運營商希望不僅手機能支持Qi標準，同時還能將無線供電設備融入到基礎建設。2011年11月，無線充電國際聯盟展示了其成員企業開發的60多款無線充電器，三星、HTC等主要手機廠商均推出帶無線充電功能的手機。

信息技術領軍企業三星和高通與其他企業共同組成另一家無線電力行業聯盟“無線充電聯盟”（Alliance for Wireless Power，A4WP）。該獨立運營組織的使命在于促進全球無空間限制的無線充電技術的標準化，針對各種消費電子設備建立一個全球性無線充電技術體系，制定產品檢驗、認證程序，促進行業與監管者就無線充電政策的制定展開對話。與高通和三星一同加入聯盟的公司還有Ever Win Industries、Gill Industries、PowermatTechnologies以及SK Telecom。

從技術類型分析，兩大無線充電聯盟所倡導的技術方式有所不同。WPC主要是采用線圈耦合的方式來實現能量轉移，目前主要為5W產品的低功耗應用制定規范，也在嘗試為高功率產品制定規范。它可實現在一個平面上為多個電器進行充電，充電板的發射端與充電產品接收端距離為5mm。A4WP正在促進共振方式無線充電技術的發展，充電板與智能機裝置擁有同樣頻率的共振線圈，通過共振來充電，因此即便智能手機不與充電板接觸也可進行充電。除了兩大聯盟的技術方式外，也存在其他幾種充電方式，比如以WildCharge、Duracell兩家公司為主的傳導式充電、Powermat和Palm的無線充電技術，以及以Power Cast公司為代表的RF射頻充電技術等。

國內以無線電能傳輸技術為主題的研討會也陸續展開，相應的一些學術組織也陸續成立。

2011年10月11～12日，以“無線電能傳輸關鍵技術問題與應用前景”為主題的“中國科協第57期新觀點新學說學術沙龍”由中國科協主辦，中國電工技術學會承辦，并在天津工業大學舉行。本次學說沙龍是國內首次以無線電能傳輸技術為主題的學術交流活動，討論了無線電能傳輸技術研究領域存在的問題，對推動國內無線電能傳輸技術的研究和發展產生了一定的作用。

2012年，以“如何推進我國無線電能傳輸技術的發展與應用”為主題的研討會由中國電工技術學會主辦、重慶大學承辦，并在重慶召開。本次研討會主要討論了我國無線電能傳輸技術研究現狀與發展趨勢，對推進我國無線電能傳輸技術的進一步發展產生了積極影響。

2013年，第十五屆中國科協年會第二分會場“無線電能傳輸關鍵技術與應用學術研討會”在貴陽市召開。本次研討會是在國內舉辦的首屆無線電能傳輸技術國際會議。

2014年4月，中國電工技術學會無線電能傳輸技術專業委員會在天津成立；2015年1月，中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專業委員會成立；2014年5月香山科學會議第499次學術討論會召開，大功率無線電能傳輸技術及其科學問題、空間太陽能電站發展核心技術問題為該會議的中心議題，我國有望于2030年研發出首個空間太陽能電站，這意味著微波無線電能傳輸技術在我國將得到飛躍發展。

1.4.3　國內外應用研究介紹

由于無線電能傳輸系統多功能性好、可靠性高、柔性好，安全性、可靠性及使用壽命較長等優點，加上無接觸、無磨損的特性，能夠滿足多種不同條件下電工設備的用電需求，同時兼顧了信息傳輸功能的需求，所以無線電能傳輸系統在許多領域都有廣闊的應用前景。

（1）智能家居

智能家居近些年逐漸被人們所關注，其中智能家電的供電中無線電能傳輸技術具有突出的優勢，為擺脫傳統充電線纜的限制，最大化體現便捷、人性化，“無尾”家電設備逐漸被提出。諸如“免電池”無線鼠標以及手機、筆記本電腦無線充電終端等。

①無線電能傳輸手機　無線電能傳輸技術得到推廣后，人們只需要一個充電器就可以給所有的設備都進行充電。而且，隨著這項技術的不斷推廣，無線充電發射器可以在我們生活、居住、工作的每個地方很便利地找到，甚至可以在汽車、飛機上、賓館里、辦公地點安置充電發射器，這意味著人們不用再隨身攜帶任何電線，即可隨時隨地為自己的電器進行充電。

中國是世界最大的無線移動通信市場，對于便捷、易用、互通、兼容的無線充電產品的需求將呈幾何級別增長。無線充電行業發展的巨大潛力，也能促進中國企業積極參與和研究這一市場，有效地提升企業的產品寬度和競爭能力。而中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利就使用了電磁感應技術。

美國WildCharge公司的研究人員于2001年開始研發無線電能傳輸技術（Wire-free Electric Power Technology），2008年，他們設計的無線充電器獲得國際消費電子展（CES2008）最佳創新獎，目前該產品已正式上市，如圖1-19所示。可同時給多個內置了接收線圈的手機、mp3播放器等消費電子產品進行充電。

日本精工愛普生公司2008年7月發布了通用型非接觸功率傳輸模塊：S4E96400（原邊）及S4E96401（副邊）。該模塊可實現2.5W功率傳輸，副邊可實現5V/500mA輸出，原、副邊線圈僅厚0.8mm，且與電路模塊分離，可獨立配置，這樣可以很方便地安裝到手機等便攜設備里。

日本富士通公司2010年9月13日宣布，已開發出無需連接電源線，只需靠近專用裝置就能給手機充電的技術（如圖1-20所示）。若真正實現“無線充電”，將會減少帶充電器出門和連接電源等麻煩。該技術的特點為，近至數厘米遠至數米，可以同時對數個機器進行充電。除了手機，該技術還被期待應用于筆記本電腦、數碼相機等移動電子產品以及電動汽車等方面。原有的無線充電技術需要將受電機器對準供電設備，和接線充電并沒有太大區別。而新技術攻克了受電部件容易受周圍金屬影響的難題，成功地將該部件安裝于手機內部。

據介紹，富士通的無線充電系統則是基于磁共振原理，電能可在兩個共振頻率相同的線圈之間無線傳遞。理論上，這一系統的工作范圍可達數米，但富士通的測試距離僅為15cm。在此距離上，傳輸效率為85%，這意味著傳輸過程中損耗了15%的電能。傳輸效率會隨著距離的增加逐漸衰弱。消費者可將設備放在富士通的系統附近進行充電，如放在傳輸線圈附近的桌面上。不同的設備即使對電量要求不同，亦可同時充電。由于電能傳輸僅發生在兩個共振頻率相同的線圈之間，該系統對其他設備、裝置、寵物和人都是安全的。

為避免不必要的浪費和產生更多的電子垃圾，中國正在執行手機充電器端口統一標準化。但對于無線充電技術來說，這一點將會得到最大程度的普及：不但手機可以使用，數碼相機、iPhone和iPad、筆記本也都可以一同分享這種充電設備。日本富士通甚至準備推出一個更為高級的技術，將這種成功從便攜式電子產品擴大到電動汽車充電中。富士通公司此舉最終目的是在街頭設置公用“充電點”，可以為便攜數碼設備以及電動汽車用戶實現更方便地24h全天候充電服務。雖然無線充電設備的效能接收在70%左右，和有線充電設備相等，但是它具備電滿自動關閉功能，避免了不必要的能耗。而且這個效能接收率在不斷提高，很快將能達到98%。

2015年，韓國三星公司推出的S6系列手機產品采用了無線電能傳輸技術，如圖1-21所示。2017年，三星發布的年度旗艦Galaxy S8和S8+支持Qi/Powermat標準無線充電，同時，羅馬仕推出了與S8搭配的Hexa無線快充板，如圖1-22所示。Hexa采用了國際通用的WPC標準，采用了高通QC2.0快充解決方案，支持國內外市面上所有符合Qi無線充電標準的手機，并且采用了4.5mm的超薄設計，如圖1-23所示。Hexa內置了智能IC識別芯片，接觸面積、距離大大增加。一觸即充，瞬間感應，省去傳統數據線纏繞雜亂的困擾。用戶只需要將手機輕置于無限充電板上，即可實現快速充電。隨放隨充，隨充隨走，簡單便捷。

2017年，Aircharge公司和寶馬聯手推出了一款為iPhone定制的無線充電保護殼，允許iPhone用戶在寶馬今年早些時候推出的5系轎車中通過車內無線系統進行充電，如圖1-24所示。這款保護殼目前已經通過了蘋果的MFi認證，并且滿足Qi無線充電標準。

2017年9月，蘋果在發布會上介紹，iPhone 8和iPhone 8 Plus 能夠適配各類Qi標準無線充電器，并且知名配件廠商 Belkin和Mophie也為iPhone 8全新開發了多款無線充電器配件。蘋果還專門設計了一款名為AirPower的無線充電枕，如圖1-25所示，可以同時為iPhone、Apple Watch和AirPods進行充電，并且充電時不需要對準固定位置，只需隨意將設備放在充電枕的表面即可。

②無線電能傳輸電視　2010年1月，在美國舉行的“2010 International CES”上，海爾展出了利用無線電能傳輸技術實現的機身上沒有電源插頭的大屏幕電視（如圖1-26所示），并演示了播放以無線傳輸高清影像的高速通信標準“WHDI（Wireless Home Digital Interface）”傳輸的影像。此為電視機身上無“電線”的試制品。投產計劃尚未確定。該產品借助以無線方式傳輸電力的無線供電技術省去了電源纜線，而且由于嵌入了高速無線功能，因而可在無纜線的情況下接收1080p的HD影像信號并進行顯示。該產品中嵌裝的無線電力傳輸系統，可將100W電力傳輸至相距約1m的設備上，可謂是一款真正體現出“電源纜線消失之日”的、雄心勃勃的試制機。

無線供電通過磁耦合（Magnetic Coupling）供電方式實現。試制電視的背面內置有約1英尺（30.48cm）見方的線圈。可在距離約1m之外的地方供應100W的電力。可供電的距離取決于線圈的大小。據稱最遠能以線圈直徑的3～5倍距離供電。此次演示了以設置在電視機背面20～30cm左右的供電裝置供電的情形。

WHDI是業界團體“WHDI”依據以色列AMIMON公司的技術制定的利用5GHz頻帶的無線通信標準。如果充分利用40MHz帶寬，可確保3Gbit/s的傳輸速度。該標準能夠以非壓縮方式無線傳輸1080p的60Hz高清影像。可進行最遠100英尺（約30m）的通信，還可穿墻連接。2009年12月WHDI發表了正式標準“WHDI 1.0”，海爾的電視支持這一標準。

③其他小功率無線電能傳輸產品　無線電能傳輸技術適于一些小電器，例如電動剃須刀、電動牙刷。這些器具經常會在潮濕的環境下使用，電氣連接的存在可能會導致漏電事故。無線供電技術使充電過程中沒有裸露導體，從而將大大提高電器的可靠性和安全性。

早在20世紀70年代中期就出現了電動牙刷，隨后發表了幾項有關這類設備的美國專利，如圖1-27所示。圖1-28所示為韋伯斯特生物官能公司申請的外科托盤上工具的感應式充電專利。

如圖1-27所示，當牙刷不用時，杯型底座通過電磁感應給牙刷中的電池充電。雖然傳輸的功率比較低，但感應耦合技術極好地滿足了這種應用。

如圖1-28所示，采用充電式托盤用于給無繩電動工具感應式充電，這樣簡化了再充電，而同時能保持各個工具的無菌性。磁場發生器位于托盤的表面的下方，并在托盤的表面處產生有足夠電力的隨時間變化的磁場，以便給放置在托盤上的工具感應式充電。工具內置了感應線圈，用于吸收磁場的能量，存儲在并聯的電容上。它不需要在磁場發生器和工具之間有任何物理接觸，無論工具何時放置在托盤上都可以再充電，因此減少了在手術進程中工具用光電力的機會。

宜家公司推出的無線電能傳輸充電板如圖1-29所示，該無線電能傳輸設備將核心部件嵌入在充電板中，采用QI無線充電標準。

（2）生物醫學領域

無線電能傳輸技術在醫療設備應用主要集中在植入式醫療設備的無線供電中，諸如心臟起搏器、神經刺激器、全人工心臟、人工耳蝸和視網膜假體等。植入式醫療設備一般的供電功率需求很小，在幾十微瓦到幾十瓦不等，多采用經表皮的直接供電、植入式電池無線電能傳輸等方式。例如，加利福尼亞大學G. X. Wang等研制的人工視網膜供電裝置。日本東北大學小柳光教授，試制出的可從外部向植入眼球的人工視網膜用進行無線供電的系統。英國南安普敦大學研究成功的一款能將振動轉化為電能的“迷你發電機”，可望將來能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電。人體植入設備的非接觸電能傳輸也是無線電能傳輸的主要熱點研究領域之一，植入式設備采用無線電能傳輸具有以下優點：

①供電中沒有物理連接，避免了導線與皮膚的直接接觸，防止感染引起的并發癥。

②解決了植入式電池電能耗盡后需手術更換的問題，提高手術后病人的生活質量。

③與人體皮膚沒有直接的電氣連接，不存在裸露的導線和接觸機構，消除了意外電擊的可能性，提高了設備對人體的安全等級。

④不存在直接的摩擦，消除了機械上的磨損和電氣腐蝕，具有高可靠性和免維護性。

⑤由于非接觸變壓器一、二次是非緊密耦合的，系統在變壓器一、二次產生一定程度的錯位時仍可正常工作，提高了供電時的靈活性和病人的舒適性。

國外進行無線電能技術在生物醫學領域的應用研究較早。最先研究的感應電能傳輸環節始于20世紀60年代，主要用于聽覺修復系統和人工心臟系統的電能傳輸。科學家利用這項技術在動物體內進行移植實驗，安全傳輸功率達150W。經過長期的觀察，產生的磁場對生物組織沒有明顯的負面影響。

由于植入式醫療裝置工作條件所具有的特殊性，能量供給問題無疑是前進過程中最大的絆腳石，目前植入式醫療裝置通常采用微型電池供能，但這會帶來如下問題：

①微型化學電池容量有限，無法實現長時間持續供電，并伴有微弱漏電。

②微型化學電池由于化學電池的構造特點，一旦發生泄漏將對人體造成較大危害。

③微型化學電池占據較大空間，進入體內的植入式醫療裝置體積必須很小。這給微機電系統的制造造成了困難。

故目前在植入式醫療裝置的供能方面尚無有效方法和手段。

無線電能傳輸技術在植入式裝置能量供給方面有獨特的優勢，近幾年得到了迅速的發展。其中日本和歐美國家在該項技術上的發展尤為迅速。德國、比利時、意大利、愛爾蘭還得到了國家基金項目的大力支持。早在1988年，德國的專家就已經把無線供電技術和控制技術應用于人造關節的控制。在20世紀90年代后期開始，美國研究了人造器官的體外能量的供給系統。日本、以色列、韓國以及歐洲的公司相繼推出了其無線電能傳輸的實物產品，無線電能傳輸將漸漸成為人造器官電能供應系統的主流方式。

近年來，隨著MEMS技術的成熟，植入式裝置向微型化發展。2005年，比利時研制的檢測裝置，長僅為3.0mm，加上內置天線，也僅為5mm×3mm。2006年，德國開發的專用的9通道生物感應芯片，采用0.8μm技術制造，輸入電壓4.0～6.0V，消耗電流1mA，規格為2.0mm×2.6mm，留有35個引腳，支持在線編程。近年來，亞洲的韓國、新加坡在生物及人體內控制電路小型化技術上也取得了一定的進展。

美國匹茲堡大學生物工程系與電氣工程系的研究人員Zhang F.提出了一種適用于醫用傳感器和植入式醫療設備的可調頻無線供能系統，設計了一套包括射頻功率源、兩個新結構共振接收器及相應外圍電路。在研究中，實驗人員在開放環境和利用仿人頭模型分析了該系統的可行性，如圖1-30所示。實驗結果表明，這套系統可為醫用傳感器及植入式設備提供能量。

2014年5月，美國斯坦福大學宣布開發出了新型無線電能傳輸技術。能從數厘米遠處為裝有受電天線的米粒大小心臟起搏器供電。不僅是起搏器，該技術有望使很多植入體內的治療設備不再需要又大又重的電池，也無需通過手術為這些設備更換電池。

我國的植入式遙測系統研究近幾年也得到了一定的發展，我國在“863”計劃中明確提出了對微型膠囊內窺鏡的研究。2004年11月，重慶金山科技集團成功研制出了第一代OMOM膠囊型內窺鏡，其尺寸為11mm×25mm。上海交通大學開展了基于射頻感應控制的掌指人工關節研究，天津大學進行了植入式電子裝置經皮感應充電研究，南京航空航天大學研制了植入式生物遙測裝置無線電能傳輸系統，重慶大學研制了一種用于體內診療裝置的無線供電系統。而在大功率近距離的無線供電方面的研究，國內只有幾個具有一定電力電子實力的高校正逐步進行著研究和探索，仍處于起步階段。

（3）儀表儀器

圖1-31所示為意大利和愛爾蘭研制的一種生物化學傳感器，整個內置系統由一個穩壓器、一個微處理器、發射機和電池組成。它使用調幅發射，作用距離達到30m。該裝置能夠在生物體自由活動的情況下測量生化電流，精度達到微毫安級。

（4）扭矩監測系統

扭矩信號是各種動力機械運行狀態監測、安全與優化控制和故障識別預報的主要信息源。扭矩信號測量方法的關鍵之處：一是如何將旋轉軸上檢測到的應變信號可靠地傳輸到地面上靜止的分析儀器或設備；二是如何給旋轉軸上的測量電路供給能量。

信號傳輸采用感應無線傳輸方式，通過電磁感應把扭矩測量信號傳輸到靜止的接收機，它的發射模塊就是繞在被測軸上的感應線圈。感應無線傳輸的傳輸距離較無線電傳輸要短，準確度要低，但是它的優點是結構簡單，安裝實現比較方便，也不需要對機械結構進行大的修改。

傳統的電能傳輸采用滑環、水銀和電刷等直接接觸的引電裝置，這種輸電結構必然會產生接觸部位產生摩擦阻力和接觸零件的磨損、發熱等問題，導致的結果是傳輸性能不穩定、工作壽命短、不適合高速旋轉或振動較大的軸，同時，這種輸電裝置日常保養和維護也非常麻煩。此外，像鉆井中鉆具的扭矩測量、車輛旋轉軸的扭矩測量、工業現場大型傳動裝置測量等場合，由于受測量環境約束，往往不適合使用有線傳輸方式。而電池供電的無線電在線監測傳感器只能短時間工作，不能進行長期連續監測。電磁感應式無線供電技術能為在線監測傳感器進行無接觸供電，它是由感應電源送出的大功率電能經靜、動線圈之間的耦合而獲得，如圖1-32所示。該供電方式能為傳感器和發射機長期提供穩定的電源，使系統長期工作，實現扭矩在線監測。其無線在線監測傳感器原理如圖1-33所示。

（5）穿戴式智能設備上的應用

“穿戴式智能設備”是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發出可以穿戴的設備的總稱，如眼鏡、手套、手表、服飾及鞋等。而廣義的穿戴式智能設備包括功能全、尺寸大、可不依賴智能手機實現完整或者部分的功能，例如智能手表或智能眼鏡等，以及只專注于某一類應用功能，需要和其他設備如智能手機配合使用，如各類進行體征監測的智能手環、智能首飾等。隨著技術的進步以及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設備的形態與應用熱點也在不斷地變化。

穿戴式技術在國際計算機學術界和工業界一直都備受關注，只不過由于造價成本高和技術復雜，很多相關設備僅僅停留在概念領域。隨著移動互聯網的發展、技術進步和高性能低功耗處理芯片的推出等，部分穿戴式設備已經從概念化走向商用化，新式穿戴式設備不斷傳出，谷歌、蘋果、微軟、索尼、奧林巴斯、摩托羅拉等諸多科技公司也都開始在這個全新的領域深入探索。

電子紡織品正快速地發展，智能型紡織品技術，包括各種人因工程傳感器、初級智能的硬件裝置都是需要電源供應的。利用感應方式為智能型紡織品系統提供能量，在智能服裝行業有著巨大的潛力市場。

將金屬鍍層纖維、含金屬的復合材料纖維、純金屬絲、含金屬的短纖維紗線制成導電紗，導電紗以假捻、包繞、并線等紗線加工手段紡成加工紗線。運用不同的材質、形狀、大小、圈數、線距及織物結構，使用導電紗織在紡織品上形成感應線圈。當外界有電磁波信號時，接收線圈通過磁力線密度變化產生電動勢并提供給智能型紡織品的傳感器使用，并可通過無線傳輸技術將資料傳至用戶終端做處理分析。織物或家飾品接收面積大，感應線圈并不受限于面積范圍，可分布在空間中的不同方位；不同之織物結構可事前設計，組合實現較為自由。圖1-34為線圈與織物整合設計示意。

2017年9月，吻吻科技在香港珠寶展第35周年上舉行了一場智能珠寶芯解決方案發布會，讓智能珠寶通過手機實現了無線充電，如圖1-35所示，該技術解決了智能珠寶因尺寸限制電池容量小的續航痛點。

（6）工業應用

無線電能傳輸技術隨著不斷的成熟和發展，其在工業領域也有非常廣闊的應用前景。在工業上一些特殊場合如化工設備中的檢測裝置、水下機器人、分布式傳感器、巡線機器人的供電問題等，這些場合下的用電裝置一般采用換電池模式或用電纜輸電，給設備的正常使用和維護帶來了諸多的不便，而無線電能傳輸技術克服了上述缺點成了近年來國內外學者和公司研究的一個新的熱點。

①采礦和油井勘探　我國的礦藏資源比較豐富，實現安全生產十分重要。隨著現代化程度的不斷提高和開采運輸距離的增加，對采掘、運輸、照明和電能傳輸系統可靠性、安全性的要求越來越高。新型感應式電能傳輸系統不受周圍環境和天氣的影響，采用該系統可以解決目前在采礦、水下探測等環境較惡劣的行業中存在的設備電能傳輸問題。現在許多海底石油、天然氣生產設備都采用感應電能傳輸器進行充電。

在井下，感應式電能傳輸系統可以在礦車卸礦時進行充電，從而減少車載電池的數量，降低車身重量，提高生產效率，同時保證安全運行。圖1-36描述了采用同軸繞組變壓器給運動負載進行大功率電能傳輸的系統，該系統可用于拖車、傳送裝置以及在地下礦區運行的其他支撐設備。多個運動負載可以通過獨立的同軸繞組變壓器接收能量，同軸繞組變壓器沿著單匝初級導體自由移動。能量傳輸是通過一個大型的高頻電源電能傳輸，工作頻率2kHz。該系統涉及負載達到10個，每個負載功率為100kW，整個系統功率達1MW。

感應式電能傳輸系統在石油開采勘探方面具有效率高（可達90%以上）、安裝方便、控制性能好的特點，有著廣闊的應用前景。如圖1-37所示，美國Bahrain油田應用井下感應加熱器淺層角礫儲層中開采重質原油。選用Madis感應加熱系統，將高壓三相交流電傳送到井下轉換器，轉換器再將其轉換成低頻、高電流能量。該加熱系統對完井沒有特殊要求，井下溫度可由地面調節裝置來控制。它由引入工具和生產油管組成，引入工具包括三部分，串聯在油管上，并下入相應地層。感應工具總成由三相ESP電纜供電，隨著油管一起下入井內。感應器通過鐵磁套管利用電能感應加熱儲層，并且是通過ESP電纜用高電壓、低電流傳送三相電。在地面調節裝置的幫助下，三個感應單元可以根據需要加熱至不同的溫度，傳送能量的60%能夠轉換為熱量。

②移動機器人　移動式機器人已經在國防、醫療、工業等諸多方而顯示出越來越廣泛的應用前景。傳統的機器人系統中，由于供電和信號傳輸線的存在，機器人的運動受到限制。同時，機器人重復運動造成的電氣觸點磨損降低了系統的可靠性和使用壽命。由于蓄電池容量的限制，以及對機器人自動充電的迫切要求，利用感應充電實現機器人無纜化行走與自動充電意義重大。感應式電能傳輸方式的顯著優點是：整個驅動系統包括驅動電機、變換器、電流、速度和位置控制回路，都設置在機器人肢體中，減小了體積；控制信號可以同樣采用感應式方式傳輸，避免了采用移動電纜導致機器的運動受限以及由于電纜磨損所帶來的操作失誤等缺點。旋轉式感應電能傳輸系統用于機器人驅動器的活動部位，能量和數據的傳輸同時進行，通過信號的雙向傳輸，實現系統的智能控制。

1991年，Albert Esser和Hans Christoph Skudelny將能量的感應傳輸應用于馭動機器人，提高了機器人的運動靈活性。1996年，Atsuo Kawamura等研制出應用于機器人操作手的諧振式變換器進行無線能量和信號的傳輸。2000年，Juuji Hirai等正式提出將能量的感應傳輸應用于蓄電池驅動的移動機器人系統的電池充電。同年，清華大學機器人技術及應用實驗室將感應耦合充電方法應用于無纜化擬人機器人充電。

巡線機器人（如圖1-38所示）用于對輸電線路運行故障檢測和安全事故巡視，并將所檢測的信息實時向地面傳送，由地面進行分析處理。在常規地面運作時，一般采用小型蓄電池定時更換方式。但是，高壓輸電線路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線機器人作業時，能量消耗大，而現場沒有可供充電的電源，并且頻繁的更換蓄電池造成諸多不便，極大地限制巡線機器人的廣泛應用。武漢大學研究了通過感應取電的方式為機器人提供電源的供電系統。設計磁芯和線圈從高壓線路上獲取電能，獲取的電能通過開關電源轉換為穩流源，并通過充電電路向巡線機器人供電。

（7）水下無線電能傳輸技術應用研究

水下無線電能傳輸技術可以將電能以無導線連接的方式從發射端傳輸給用電設備。這種電能的傳輸方式發送端和接收端不存在直接電氣連接，避免了傳統濕插拔供電方式由于金屬接插件接觸引起的火花、漏電、腐蝕等缺點，提高了水下電能傳輸的安全性，可用于對水下作業設備安全地供應電能。目前國內外涉及該領域研究的機構很少，圖1-39所示為水下無線電能傳輸技術的分類。

無人水下潛艇（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）在監視等軍事行動當中正發揮著越來越大的作用，但其最大弊端在于仍需要上浮或者登陸以為電池充電，其在上浮充電時極易遭受攻擊，因此需要更為先進的充電技術作為支持。2017，美國海軍為水下無人潛水艇開發無線充電站，可以為水下無人潛水艇實現無線充電，如圖1-40所示。

上海海事大學對水下無線電能傳輸技術進行了相應的研究，給出了磁感應式水下無線電能傳輸的基本結構和工作原理，討論了該技術的最優工作頻率、傳輸距離、線圈結構選擇、渦流損耗與頻率分裂現象。簡要給出了磁諧振式水下無線電能傳輸技術和電場耦合式水下無線電能傳輸的研究現狀。

西北工業大學對基于磁共振的水下非接觸式電能傳輸系統在海水中的傳輸機理以及電渦流損耗進行了分析，針對海水環境，通過麥克斯韋方程組建立系統的數學模型，通過級數展開，略去高階項，得到計算電渦流損耗的近似公式，分析了電渦流損耗與線圈半徑、諧振頻率、傳輸距離、磁感應強度的關系，為水下非接觸式電能傳輸系統的總體設計提供了理論依據。

（8）其他應用研究

2016年國防科技大學研制出衛星太陽帆板驅動機構無線電能傳輸裝置，這套裝置已經在實驗室內成功應用，如圖1-41所示，該裝置有望通過無線輸電的方式，替代目前國際通用的“導電滑環”。

2016年10月20日，英國帝國理工學院宣布，該校團隊成功利用無線充電技術，讓無人機在飛行狀態下也能進行充電，如圖1-42所示。帝國理工學院的團隊購買了一架小型四軸無人機，并改造了其電子器件，同時去掉其中的電池，還在機身上纏繞一圈銅箔作為接收天線。另外，他們還制作了一個特殊底座，其與電子器件和電源連接，能夠形成電磁場。據介紹，由于無人機的電子器件已經調校過，其頻率與地面裝置形成的電磁場一致，因此只需將這臺無人機放在磁場中，交流電壓無需電線就能被導入無人機上的銅箔接收天線，然后經由機上的電子器件高效轉換為直流電壓，驅動無人機飛起來。即便它飛在空中，只要還在磁場范圍內，就能獲得電量供應。目前，這項技術還處在實驗階段。該團隊僅能讓無人機在產生磁場的地面裝置上空10cm的距離實現飛行狀態下充電，但他們預計只需再開發一年左右，這項技術就能達到商業應用水平。

1.4.4　無線電能傳輸技術應用前景展望和發展趨勢

近年來無線電能傳輸技術在便攜家用電器、人體內植入器件和電動汽車等的無線供電領域得到了實際應用。隨著研究的不斷深入以及人們對于電能使用的便攜性、多樣性要求的不斷提高，無線電能傳輸技術的發展呈現出許多新特點，又將開拓出更多新的應用領域。

①高鐵列車無線電能傳輸技術。中國高鐵客運專線里程已經超過了世界所有其他國家高鐵運營里程的總和，2015年中國高鐵總里程達到1.8萬公里，到2020年，我國高鐵里程將達到3萬公里。目前的高鐵列車受電是通過受電弓滑板與接觸網導線相接觸，在靜止或滑動狀態下獲取電能。在高速運行狀態下，弓網關系受到摩擦、磨損、離線、振動、電弧和環境等多方面挑戰，各因素之間既有區別又相互聯系，它們的共同作用使弓網問題更為突出。為解決弓網接觸供電存在的問題，提出采用無線電能傳輸技術為高速列車供電，供、受電端依靠電磁耦合傳遞電能，沒有任何直接接觸，能有效克服弓網動接觸供電的以上諸多缺點，應用前景廣闊。

②空間太陽能電站。空間太陽能電站技術是提供大規模清潔能源重要途徑之一，其目標是將太空中接收的太陽能轉化為電能，并傳送回地球以供人類使用，其核心技術之一就是通過無線電能傳輸技術將電能以微波或者光波的形式實現能量的傳送與接收。

無線電能傳輸技術今后的發展趨勢主要有以下幾個方面。

①無線電能傳輸技術理論的系統化。進一步完善現有理論，建立系統化分析理論和設計方法，如系統參數設計、系統傳輸特性分析，從理論上進行突破創新，如新材料的使用，從而形成一套無線電能傳輸技術分析與設計的理論系統。

②智能化無線電能傳輸系統。智能化無線電能傳輸系統能夠對多負載充電，具有負載識別、跟蹤定位、自動充放電等功能，擁有適用的高效大功率高頻電源，適應工作環境對系統的干擾，從而在實際生活中有更廣泛的應用。

③無線電能傳輸系統的電磁環境安全。無線電能傳輸系統產生的高頻電磁場對人體的輻射程度、對其他電子設備的影響，以及無線電能傳輸系統受外部電磁干擾時的可靠性等都是無線電能傳輸系統電磁環境安全研究的重點。

④無線電能傳輸技術行業標準。雖然目前已有功率5W以內的無線輸電Qi規范，但仍需要更多適用的無線輸電行業標準，使無線電能傳輸技術實現產業化發展。