1、2 0 1 5 年 3 月电工 技 术学 报 3 0 5第3 0 卷第5 期 2 0 1 5无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题杨庆新 章鹏程 祝丽花 薛 明 张 献 李 阳（ 天津工业大学天津市电工电能新技术重 点实验室 天津 3 0 0 3 8 7 ）摘要近几年 ， 电 气科技工作者对无线 电 能传输技术的研究探索如火如荼 ， 应用 领域也在不断扩大 。 随着研究的深入， 有许多关键基础 问题和技术瓶颈问题需要解决。 文章首先对该技术的近期研究现状作 了 简要回顾 。 其次重点提出 了 目 前亟待解决的 7 个关键基础 问题和 4 个技术瓶颈问题。 最后对无线 电能传输技术的应用 前景
2、作了 进一步 的展望 ， 重点介绍 了 高速列 车无线供 电技术 以及前期研究工作。关键词 ： 无线 电能传输技术 基础问题 技术瓶颈 应用前景 高铁列车中图分类号 ： 1 5 ，7 2（ 3 0 0 3 8 7 ） ？ ， ，？ ？ ， ： ， ， ，？，引言介绍 。 超声波无线电能传输技术相对于其他传输无线电能传输可免馳设备与电直链 ， 巾 了近 电气科学家们对无线电能传输技术不稳定性 、 电气设备移动的局限性等问题 ， 成为有线供电模式的重要补充？， 因此受到世界各国同索达到如火如荼的程度应用领域也在不縦大。 然而， 随着研究的深人， 有许多关键基础问题和迄今为止勝实现樣无线传输的方式主
3、要桃 技箱删题需要嫩， 这翻翻嫩对推动无线磁感应稱合、 磁谐振耦合、 电场耦合 、 微波、 激光、 电能传技术的展具有重要意义。 本文首先对该技超声波等。 国内外已有文献对前 5 种方式进行了详细 彳解决的关键基础问题和技术瓶颈问题， 这些问题均具国家自然科学基金 （ 5 丨 4 7 7 1 1 7 、 5 丨 3 0 7 1 2 0 、 5 2 0 6 ） 项目资助。 有方向性和指导性 提供给同行们研允探索 以期早收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 8 改稿 日期 2 01 5 。1 3 0日获得突破。 最后对无线电能传输技术的应用前景作2电 工 技 术 学 报2 0 1 5 年 3 月
4、进一步的展望， 重点介绍了作者研究团队提出的高法。 研究传输效率及输出功率与线圈距离 、 工作频速列车无线供电技术以及所做的前期研究工作。率 、 负载电阻之间的关系 。 对双中继无线电能传输系1统和系统中 到金： ）！介质障碍物的情况进行了探寸。1无线电能传输技术的近期研究现状邮滨工业大学朱春波教授课题组 分析了 中近年来，无线电能传输技术以其便捷、 灵活 、 安继线圈在谐振频率时的工作特征以及电流放大的理论全及环境友好等优点得到了快速发展。机理和单管 类功率放大器的负载阻抗特性及影响负1 1 国外研究现状载网络的因素 ， 还研究了加人平板磁心的无线电能传2 0 1 2 年， 意大利佩鲁贾大学
5、的学者设计出具有不输系统中耦合系数的变化 ，工作频率对传输的影响 ，同频率通道的能量传输系统并将能量和信息进行同时发射与接收的移位传输以及系统的功率传输特性。 另传递 6 ， 此外他们还提出分析计算平面螺旋线圈谐振外 ， 对自主无线充电功能的室内移动机器人系统和采频率的简便方法， 并应用程序及软件计算线圏集总用无线电能传输技术的无尾家电进行了详细研究。参数 。 华南理工大学张波教授课题组1 1 5 1 从电路角度分析2 0 1 3 年 等在混凝土结构中应用强耦了磁耦合谐振传能系统的传能效率与距离和线圈参数合技术实现距离为 1 0 ， 湿度范围在 0 2 3 8 5 、的关系 ， 在此基础上加人
6、频率跟踪系统用以解决传输效率范围在 2 3 8 5 的无线输电实验。过程中由于频率失谐带来的传输效率低的问题 ， 并于2 0 1 4 年 等91设计了一种具有高品2 0 1 4 年获得题为“分数阶电路系统谐振无线电能传输质因数的阻抗频率高准确度匹配三线圈结构 ， 并通过机理及关键问题研究” 的国家自然科学基金重点项目无线电能最小功率传输实验证明了该线圈结构的优越支持。性， 其传输性能在原来基础上提高了约 3 0 。清华大学赵争鸣教授课题组 1 分析了磁耦合谐振2 0 1 1 年， 美国华盛顿大学 、 匹兹堡大学医学中心式无线电能传输技术的基本结构和工作原理 ， 并对无与英特尔宣布 ， 基于磁耦
7、合谐振无线电能传输技术 ，线电能传输系统中两线圈和四线圈基本结构进行比试制出了植入式人工心脏适用的供电系统 ， 将装有接较， 得出 了在传输效率相同的情况下 ， 增加源线圈和收线圈的人工心脏放在盛满水的容器中 ， 实现了电能负载线圈的四线圈结构更容易实现一次侧和二次侧匹的无线传输1 。 除了在医疗领域之外 ， 美国华盛顿大配的结论。 于歆杰副教授1 1 7 1 研制了应用于心脏起搏器学还在考虑把无线电能传输技术应用于海洋中设备的的经皮能量传输系统。王志华教授课题组对植人式供电。医疗通信与射频集成电路进行了研究设计， 并撰写专著在微波无线电能传输方面 ， 2 0 0 8 年 5 月 ， 美国国
8、。家航空和宇宙航行局在夏威夷主岛成功 方 2 0 微波香港理工大学傅为农教授课题组与武汉大学王军能量从一个山顶传输至 1 4 8外的一座岛屿上， 采用华教授1 合作研制了一种平面螺旋谐振线圈 ， 在发射平面阵列的发射天线 ， 工作频率为 2 4 5 。 这是迄谐振线圈和接收谐振线圈相距2 0 时， 谐振频率为今传输距离最远的微波能量传输实验， 证明了空间微5 5， 传输效率为 4 6 。 此外 ， 他们还设计了一波能量传输的可行性。 美国计划 2 0 2 0 年实现可以实用种名为 “ ” 的充电器。 该充电器应用 0 2的太阳能卫星电站。 2 0 1 2 年 日本宇航局与东京大学合纳米粉末以及
9、 4 6 0 2 乳胶结合制成， 降低了谐振器作 ， 针对未来低轨小卫星空间太阳能微波能量传输实的谐振频率。验研制了微波发射天线阵列 ， 总功率可达到 1 6 。 在微波无线电能传输方面 ， 四川大学于 2 0 1 3 年1 2 国内研究现状9 月 建立了级、 级无线能量传输试验装置。 采重庆大学孙跃教授课题组 1 1 利用互感耦合模型 ，用 4 个 8 0 0 磁控管进行功率合成 ， 使用自行设计的分析了磁共振模式电能传输系统的 4 种拓扑， 给出 了平面天线和接收整流天线阵列 ，实验中的发射天线阵系统发射线圈恒流， 输出 电压恒压的参数边界条件且列 口径为 1 6 2 ， 接收天线阵列口径
10、为 6 4 2 。 微波整优化了系统的磁路机构。 对电能谐振式无线电能传输流电路转化效率达到7 5 2 6， 系统总效率达 到系统的损耗问题和感应耦合无线电能传输电源规划问了 5 7 1 。题也进行了研究。本文作者所在课题组于 2 0 1 3 年提出将无线电能传东南大学黄学良教授课题组提出了一种在给定输技术应用于高速列车供电的设想 ， 并作了初步研究工作频率 、 传输距离下的盘式谐振器的优化与设计方工作 ，2 0 1 4 年得到了题为 “ 高铁列车无线供电方法中第 3 0 卷第 5 期杨庆新等 无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题3的几个关键基础问题研究” 国家自 然科学基金的支统参数之间
11、的关系至今未见相关文献阐述。此基础性持。 并于 2 0 1 4 年 8 月 出版了学术专著 无线电能传输问题的解决可使我们了解和掌握能量空间传递规律 ，技术及其应用 。 更好地约束和利用这些空间能量 ， 控制能量传输方向同济大学 、 南京航空航天大学 、 上海交通大学和并提高其利用率。浙江大学等也取得了有价值的研究成果。2 3 近场谐振賴合传输方式的方向性问题2 0 1 4 年 3 月， 全国家用电器标准化技术委员会无磁谐振耦合无线电能传输系统中发射端与接收端线输电家电分技术委员会成立。2 0 1 4 年 4 月， 中国电之间的方向性问题首先由美国麻省理工学院的 工技术学会无线电能传输技术专业
12、委员会成立。 2 0 1 5 教授等提出 ， 文献 3 认为 ， 基于磁谐振親合年 1 月 ， 中国电源学会无线电能传输技术及装置专业技术的无线电能传输几乎可以做到无方向性， 但文中委员会成立。针对方向性的问题并未给出解释 、 推理以及实验方面2 0 1 4 年 5 月香山科学会议第4 9 9 次学术讨论会召的具体数据。 由此， 国内各科研院所和高校也对方向开。 大功率无线电能传输技术及其科学问题、 空间太性问题进行了大量的分析和实验研究。 文献 2 3 从过阳能电站发展核心技术问题为该会议的中心议题。 我耦合、 临界耦合和欠耦合 3 个方面对磁谐振耦合无线国有望于 2 0 3 0 年研发出首
13、个空间太阳能电站， 这意味电能传输系统方向性进行了分析， 并根据理论分析设着微波无线电能传输技术在我国将得到飞跃发展。计相关的实验模型 ， 通过实验验证无线电能传输系统妹由处佑输抹责的主键其神旧哪同轴 、 平行放置 ， 系统工作在过辆合状态， 在一定范醒无方向性的 ； 系统工作在临界耦合和欠耦合范围无线电能传输技术尽管发展迅速， 但仍存在一些内是有方向性的。 文献2 4 认为 ， 在一定的水平错位关键基础科学问题需要研究。和角度偏移下， 系统的传输效率会降低。2 1无线电能传输技术发送与接收的新原理大量实验研究也表明 ， 该传输方式有明显的方向如前所述 ， 电磁感应耦合 、磁谐振耦合 、 电场
14、耦性特征。 目前， 人们对无线电能传输系统方向性的有合、 微波 、 激光和超声波等是无线电能传输的主要方无或在某一特定条件下方向性是否存在及在系统存在式 ， 它们各有优缺点和应用局限性。 微波和激光传输方向时， 系统耦合角度、 偏移距离与传输距离 、 传输距离远 ， 但效率极低 ， 适用于一些特殊的场合， 如军功率和效率之间的定量关系， 仍未获得一致的结论，事 、 空间太阳能电站等； 超声波和电场耦合无线传输还需进一步进行理论研究。技术无磁场辐射 ， 但传输功率小 ； 电磁感应耦合传输2 4无线电能传输系统的电源频率与传输距离及功率大 ， 但传输距离很短， 适用于近距离场合 ； 磁谐功率的定量
15、关系问题振稱合传输距离高于电磁感应耦合， 效率高于微波等电源频率与传输距离及功率的关系始终是无线电无线传输技术 ， 但在大功率、远距离多种应用场合仍能传输系统中研究的重点和热点问题。 依据国内外研不适应。 人们基于现有无线传输方式 ， 通过改进和组究成果， 感应耦合式无线电能传输系统的传输效率会合应用 ， 提高了传输效率和距离 ， 但与实际需求还有随传输距离的减少而增大 2 5 ； 在磁谐振耦合式无线电一定差距。能传输系统中距离减小到一定程度后， 功率会随传输为推动无线电能传输技术的进一步发展 ， 寻找新距离的减少而减少， 而改变电源频率则可提高传输功原理 、 新方法的无线电能传输方式是该技术
16、亟待解决率， 也就是在该系统中会出现频率分裂现象 26 。的问题。 在无线电能传输应用系统中 ， 传输距离 、 传输功2 2无线电能传输空间功率密度分布及传递机理率和电源频率之间相互影响。 但到目前为止 ，对无线在无线电能传输技术的理论研究中， 人们主要采电能传输系统中电源频率与传输距离及功率之间的定用电路理论2 和耦合模理论 3 2口 对无线电能传输系量关系尚未见报道。 在实际应用中 ， 如在传输距离一统进行定量分析。 应用电路理论来分析系统传输功率定时 ， 如何根据传输功率定量给出电源频率； 或传输和效率及其与传输距离 、 系统参数之间的关系 ； 采用功率一定时 ， 如何确定最佳传输距离等
17、的每一个具体親合模理论来阐述电磁谐振耦合式无线电能传输技术数值都需要通过多次实验来确定三者之间的关系。 针的基本特点与前提条件。 然而， 对无线电能传输的空对一种或多种无线电能传输方式， 如何采用解析或数间功率传递机理 ， 功率密度在一定空间范围内随时间 值的方法给出电源频率与传输距离及效率之闾的定量空间变化的分布关系的研究及如何定量地表述其与系关系具有重要的现实意义， 也是该领域研究人员需要4电 工 技 术 学 报2 0 1 5 年 3 月关注和解决的基础问题。的电动力的作用。 如果考虑接收端运行至不同位置2 5无线电能传输空间内生物安全性问题时 ， 多个发送端进行切换时电流突变而引起的瞬时
18、电无线电能传输技术利用中高频电磁场耦合实现电动力问题 ， 系统运行状态将更加复杂多变。能传递 ， 其中高频的电磁能量必然会有一部分进人系因此 ， 为了准确分析高速运动物体进行在线无线统外部的一些物体， 比如人体、 墙体及周围环境等。电能传输时的受力问题， 应针对不同工作频率及相对尤其是在进行远距离大容量电能传送时， 电磁辐射功运动速度对系统稳态和瞬态过程进行求解分析 ， 准确率会更大 ， 相应的泄露到外围物体上的能量也就会评估供受电体所受的电动力影响。越多。2 7 先进材料在无线电能传输中的约束作用机制生命体长期暴露在超过安全限值的电磁环境中 ，无线电能传输追求的目标之一是实现远距离 、 大会
19、使其生物机能下降， 患神经系统、 心脑血管系统和功率和高效率无线供电 ， 借助先进材料特性一方面降生殖系统疾病的概率增加， 甚至还会影响人的心理和低损耗并拓展传输距离 ， 另一方面在供电同时对电能行为健康。 多数文件通过比吸收率 （ 传输区域外物体影响尽量小。 目前由于多个因素的限 ） 来描述电磁辐射限值7 。 国际上对于电磁制 ， 以上几方面并不能同时达到要求 ， 但先进材料的曝露限值存在两大主流标准，一是（ 引人已获得传输性能的提升。 ）为了减小系统的欧姆损耗， 提高电能转换效率，标准， 它由国际非电离辐射防护委员会发布 ， 主要使文献 2 9 采用超导材料制作了用于电能耦合的线圈天用范围
20、在欧洲和澳大利亚等。 另一标准是美国电气电线 ， 并对无线电能传输的效率 、 功率和电磁场等问题子工程师学会 （ ） 标准， 主要使用范围在美国 、 进行了实际测量 ， 结果表明加人超导材料后系统将获加拿大和 日本等。得更为突出的传输性能。 为了集中电能功率密度并减文献 2 8 对人体在四线圈系统中的电磁场暴露问小高频电磁场对外界物体的影响 ， 必须研究对电能传题进行了详细分析， 并对成人与儿童的全尺寸模型进输机构进行电磁屏蔽。 目前一般采用锰锌功率类和高行了仿真与实验研究 ， 最终得出人体模型辐射限值。频镍锌铁氧体材料构成方形或圆形磁屏蔽结构 ， 从而目前学者主要通过对模型进行仿真和测试的方
21、法将空间能量交换约束在线圈临近有限空间内 。 为了拓定量分析无线电能传输系统， 并将结果与现有标准进展无线电能传输范围 ， 研究人员利用超材料 （ 行比较。 为了系统地研究无线电能传输空间内的生物 ）开发的方形超透镜在远大于发射器和接收器安全性问题， 应分阶段进行不同功率等级 、 不同频段本身尺寸的距离内高效地聚焦磁场。 超材料是一类具的生物体实验 ， 建立实验数据库并进行长期观察与统有常规材料不具备的超常物理性质的人工复合材料 ，计，从而获得生物体受高频电磁环境影响的相关其超常物理性质主要由新奇的人工结构决定。 采用超结论。材料构成的多单元复合结构可以增强磁场间的耦合效2 6 高速运动在线无
22、线供电情况下供受电体之间的果 ， 在拓展传输距离的同时也提高了传输效率？ 。受力问题 伴随着材料科学的快速发展 ， 具有更加优异特性根据电磁感应定律 ， 只要穿过回路磁通量发生改的先进材料将不断被应用于无线电能传输系统中 ， 上变 ， 回路中就会有感应电动势产生。 引起磁通量变化述诸多束缚和限制将会得到改善或解除。的原因包括： 回路在磁场中无相对运动，但磁场空，间分布随时间变化 ， 这原因产生的感应电动势称为感生电动势 ； 回路相对于磁场有运动， 这一原因产除了基础问题以外 ， 无线电能传输技术也存在一生的感应电动势称为动生电动势。些技术瓶颈问题需要解决， 下面分别叙述。对于电能发送端与接收端
23、相对静止的中短距离无3 1 系统总体技术集成问题线电能传输系统， 接收端线圈中的电压一般可认为来无线电能传输技术作为一种新型的电能传送技源于感生电动势。 当发送端与接收端之间存在相对运术， 可以实现一定距离内的无线输电。 但如何克服干动 ， 且在高速状态下进行无线输电时， 接收端将受到扰、 提高输送效率和距离、 安全可靠运行、 计量电感生电动势和动生电动势的共同作用。 前者的存在实费、 使系统智能化以及符合现有认知标准等 ， 这些都现了电能的无线传输， 同时在磁屏蔽装置上感生涡流涉及到系统总体技术集成 ， 问题如下：并产生损耗 ； 后者的存在导致接收端将受到一定程度1 ） 如何提高系统传输电能
24、的效率。 系统损耗主第 3 0 卷第 5 期杨庆新等 无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题5要来源于线圈电阻损耗和高频器件损耗。 因此， 如何3 2 无线充电网络电源管理技术问题结合实际应用特点 ， 选取器件、 设计电路、 采用软开无线电能传输技术的使用特点之一是有很高的灵关算法、 优化系统传递与接收端设备的结构等以进一 活性。 在无线充电网络中 ， 电能之间的传递可以是一步降低损耗 ， 提高效率 ， 是无线电能传输技术需要解对一的，即一个能量发送源向一个能量接收器进行传决的一个重要技术问题。递能量。 同时该技术也允许一对多、 多对一或者多对2 ）谐振频率跟踪、 交互的通信。 对于短距离无
25、多的使用方式 ， 比如电动汽车的使用 ， 在一定范围内线电能传输技术而言， 发射端与接收端处于谐振状态由电网的一个发送源向多个汽车同时进行供电。 再是实现电能成功传送的关键因素。 在无线供电过程如 ， 家庭用无线充电网络， 当放置一个发送源不能满中 ， 负载端有可能存在位置偏移或超出工作区域等工足要求时 ， 可以放置多个发送源协同工作， 如图 1况 ， 控制程序经常要求获得装置的具体位置以及工作所示。状态等信息 ，以方便系统判断并工作于不同模式。 对、移动的负载端供电时也需要检测负载端所处的位置以：一、便获得最佳的传输效率。 因此还要求系统具有实时高、；效的控制策略以满足谐振频率跟踪和位置自
26、适应 丨一 需求。倉、 3 ） 系统外物体对系统正常工作的扰动影响分析。？德、辱由于短距离无线输电系统耦合机构的发射端与接收端之间具有定的工作陋， 其在实现电細诚传递 同工作同时 ， 输电系统外部物体有可能进人该区域而影响正 ？ 10 6 常工作。 干扰物体， 尤其是电或磁的良导体 ， 进人电因此无线充电网络在运行时 ， 需要对多个发送源能传输区域时不仅会使系统的谐振点发生偏移， 还会和多个接收器进行有效的统一管理。 当该系统工作在使系统增加额外损耗。 因此， 应研究外部物体对系统 一对多模式下时 ， 系统根据充电设备信息自动判断容正常工作的扰动机理并获得检测与降低扰动的有效手量是否足够 ，
27、满足要求时充电开始， 当发现系统容量段 ， 量化扰动物体材质、 尺寸 、 相对位置与持续时间不足时 ， 应首先对优先级高的设备进行充电 。 同时 ，对系统的影响程度， 根据结果加人保护算法 、 检测方当有新的设备接人网络时， 应首先判断系统剩余容量法并划分不同的工作模式以提高系统稳定性。能否满足新接入设备， 如果可以则开始正常充电 ， 如4 ） 高可靠性大功率无线输电电源的研制。 目前果发现不能满足 ， 则系统不应对该设备充电 ， 而应保无线输电电源一般采用 和 管构成桥式证原有设备的正常充电。对于多对一模式 ， 系统应该拓扑结构 ， 并配合不同软开关算法实现电能的无线传首先判断充电对象的容量
28、， 然后合理组合开始充电 ，输。 当短距离无线充电负载功率进一步增大时 ， 需要当系统充电容量过剩时， 也应按照优先级顺序依次切对逆变功率管进行并联扩容， 而传输功率的规模直接除。 在多对多模式下工作时， 应保证电源间的协同工增加了电源设计与运行的难度。 因此 ， 设计合理的拓作， 合理分配充电设备和容量， 从而保证充电的正常扑结构实现高可靠、 大功率电源是将无线电能传输技进行。术应用于大功率负载输电的前提条件。3 3 电磁兼容及频段占用技术问题5 ） 在无线模式供电下， 应该给谁受多少电 ， 电电磁兼容的基本内容之一是各个电子电气设备在费如何计量 ， 这涉及系统的智能化技术。同一空间中同时工
29、作时 ， 总会在周围产生一定强度的6 ）理论模型指导以及仿真优化问题。 无线电能电磁场， 该电磁场通过一定的途径， 以辐射、 传导的传输技术集合了电磁场 、 电力电子 、 控制理论与控方式把能量耦合到其他的设备， 使其他设备不能正常制工程等多学科的基础理论及应用技术 ， 该技术的工作， 同时这些设备也可能从其他电子设备产生的电不同种类又分别体现出不同的工作特性。 目前采用磁场中吸收能量或者受到干扰 导致自身无法正常的互感模型、 耦合模模型、 散射矩阵模型虽然在一 工作。定程度上可以反映系统工作的基本特性 ， 但所得结无线电能传输系统在工作时周围空间会存在高频果与实际工况还存在一定的差距， 因此
30、还需进一步电磁场， 发送源与接收器通过电磁场完成电能的传递修正和完善。与数据的交换。 这样系统本身电子器件应该满足电磁6电 工 技 术 学 报2 0 1 5 年 3 月兼容指标，不受自身发出的空间电磁场的影响 ， 同时滑动接触供电的以上诸多缺点 ， 应用前景广阔。 需要系统应该能很好地处理系统外部物体进入时所带来的解决的问题是大功率无线供电单元 、 高速运动下供受通信信号干扰和电能质量波动问题， 以保证系统的正电端之间的电动力 和乘客车厢内安全电磁环境等问常工作。 同时应该注意的是无线充电工作时的频率不题。 在这些方面作者的课题组已经做了许多研究工应与现行频率相冲突 ， 比如移动通信用各频段
31、、 电视作 ，并取得了一些初步成果。 图2 所示为高铁列车无信号用频段以及广播用无线电频段等 ， 也不能对现有线供电模型 ， 相关研究成果在 2 0 1 4 年中国科协夏季科的通信网络造成不良影响。 所使用的频率应当经过无学展和全国科普日上展出 3 1 。线电管理机构的批准。霸：3 4 产品标准化技术问题产品相关标准的逑立楚产品 良好发展的冇力保3 证 ， 标准化生产能够帮助企业提高效率 、 降低成本 ，使企业走上良性发展的道路。无线电能传输技术涉及，？彳“电气工程 、 自 动化 、 生物医学工程 、 通信工程等专业 ，以及能源、 建筑、 机械制造 、 航空航天等领域，产品覆盖医疗卫生 、 新
32、能源 、 交通 、 通信设施、 居民 ： 1 ，、住宅等多个方面， 因此涉及领域广。 国内国际现有的 图 2 高速列车无线供电技术生产制造、运营及监督标准已不能满足无线电能传输 2 技术发展的需要，亟需补充扩展。 同时制定具有我国 自 主知识产权的标准也是自主创新的一个重要体现。2 0 1 4 年， 韩国铁路技术研究院开发并运行了1级列车无线供电系统 3 2 。无线供电有望成为髙铁列车革命性供电新模式 ，近年来无线电能传输技术在便携家用电器 、 人体对促进世界高速铁路的发展具有里程碑意义 。内植人器件和电动汽车等的无线供电领域得到了实际4 2 空间太阳能电站应用。 随着研究的不断深人以及人们对
33、于电能使用的空间太阳能电站 （ ） 技术是便携性、 多样性要求的不断提高 ， 无线电能传输技术提供大规模清洁能源重要途径之一 ， 是太空能源开发的发展呈现出许多新特点 ， 又将开拓出更多新的应用与利用的热门领域 。领域。空间太阳能电站主要包括太阳能发电装置 、 空间由于上述应用已有许多文献叙述 ， 因此这里重点电能转换与发射装置、 以及地面接收与电能转换装给出无线电能传输技术在高速列车供电和空间太阳能置 ， 其目标是将太空中接收的太阳能转化为电能，并电站中的应用，这是两个非常具有挑战性 的应用传送回地球以供人类使用 ， 其核心技术之一就是通过领域。 无线电能传输技术将电能以微波或者光波的形式实
34、现4 1 高铁列车无线供电技术能量的传送与接收。 首先， 空间中运行的太阳能电池中国高铁客运专线里程已经超过了世界所有其他板将获取的电能传送给微波发射天线系统中的大功率国家高铁运营里程的总和，2 0 1 5 年中国高铁总里程将微波源 ， 通过波导微波馈电系统将微波功率分布后馈达到 1 8 万。人薄膜式天线。 为保证发射的微波波束的指向性及准目前的高铁列车受电是通过受电弓滑板与接触网确度 ， 每个天线单元模块均具有相同的微波电能相导线相接触 ， 在静止或滑动状态下获取电能。位。 微波发射的频率范围一般在 2 4 5 6 ， 甚至在高速运行状态下 ， 弓网关系受到摩擦 、 磨损、 更高 ， 这样电
35、磁波能量集中 、 能量密度高且不易散离线 、 振动 、 电弧和环境等多方面挑战 ， 各因素之间射 ， 同时地球大气层对于该频段电磁波吸收作用小 、既有区别又相互联系 ， 它们的共同作用使弓网 问题更几乎透明 ， 降低了电能传送时的能量消耗 ，从而实现为突出 。电能的远距离 、 大容量传送。 然后 ， 空间中的发射天为解决弓网接触供电存在的问题， 提出采用无线线将微波波束高定向性地无线传输到地面接收装置 ，电能传输技术为髙速列车供电 ， 供 、 受电端依靠电磁并由整流天线阵列将微波功率转化为直流电。直流合耦合传递电能，没有任何直接接触， 能有效克服弓 网成模块将对整流天线单元的直流输出进行电能控
36、制与第 3 0 卷第 5 期杨庆新等 无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题7管理， 并最终实现电能的并网输送。8 6 9 8 7 2 8 ， 5件论一口化 本文对无线电能传输技术的研究近况作了简要叙 述， 重点给出了该技术发送与接收的新原理、 空间功 2 0 1 3 ，6 1 （ 3 ） ：1 3 7 8 1 3 8 4 率密度分布及传递机理、 近场谐振耦合传输方式的方 9 6 3 0 向性 、 电源频率与传输距离及功率的定量关系 、 传输：；， 6 ！ 空间内生物安全性、 高速运动在线无线供电情况下供；篇1 3 ：3 4 1 3 4 4 受电体之輸受力 、 先3 4 材料的约束細机制等七
37、个1 0麵大学減特尔共同试淑诚人紐供电系关键基础问题和系统总体技术集成、 电源管理、 电磁兼统 0 2 0 1 1 0 71 9 ， ： 2 容以及产品标准化等四个技术瓶颈问题， 供同行研究时。 。 2 0 1 1 0 7 1 9 1 9 7 5 8 参考， 最后给出了无线电能传输技术的最新应用趋势。1 1 王智慧 吕潇 孙跃 等 谐振式无线电能传输系统参考文献损耗模型 电工技术学报，2 0 1 4， 2 9 （ 9 ） ：1 7 2 1 ， ， ， 1 杨庆新， 陈海燕， 徐桂芝， 等 无接触电能传输技术 的研究进展 电工技术学报， 2 0 1 0 ， 2 5 （ 7 ） ： 6 1 3 ，2 0 1 4 ， ， ， 2 9 （ 9 ） ：1 7 2 1 1 2 王维 ， 黄学良 ， 周亚龙 ， 等 双中继无线电能传输 ， 系统建模及传输效率分析 电工技术学报，2 0 1 4 ，2 0 1 0 ， 2 5 （ 7 ） ：6 1 3 2 9 （ 9 ）：1 6 2 赵争鸣 ， 张艺明 ， 陈凯楠磁耦合谐振式无线电能， ， ， 传输技术新进展 中国电机工程学报，2 0 1 3，3 3 （ 3 ） ：1 1 3
