摘要：
无线输电，是指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。该技术最大的困难在于，如何解决无线电波在传输中的弥散和衰减问题。对于无线通讯来说，电波的弥散可能是好事，但无线输电则恰恰相反。无线输电有望在其他领域也得到利用，例如海上风力发电站向陆地输电、向自然条件艰险的地区输电以及电动汽车无线充电等领域。
无线输电的提出最早要追溯到1889年尼古拉·特斯拉，作为工程师，特斯拉研究并发展了交流电技术，为工程学做出了贡献。
目前无线输电方式主要采用感应耦合无线电能传输、磁谐振耦合无线电能传输、微波无线电能传输、激光方式无线电能传输等方式。本文通过研究磁耦合谐振式无线电能传输机理，构建了传输系统的集总参数电路模型，对各模型参数进行了理论计算，并根据模型对不同传输距离下系统的传输效率与负载功率进行了分析，得出了不同耦合状态下系统获得最大负载功率的条件。
1、 引言
1.1
什么是无线输电
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、无线网络技术的曰益普及，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，无线电力传输技术成为21世纪最值得期待的技术，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。无线电力传输(WirelessPowerTransmission，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。 1.2
无线输电的应用
（1） 给一些难以架设线路或危险的地区供应电能高山、森林、沙漠、海岛等地的台站有时遇到架设线路困难的问题,而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电,无线输电可补充电力不足。此外,无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用
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无线输电技术一般用于特殊的场合,具有广阔的应用前景，以下是应用举例。
于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。 （2）加电或拯救低轨道军用侦察卫星
低轨道军用侦察卫星进入地球阴影区时,太阳能电池不再工作,这时蓄电池起作用。由于现代侦察设备的复杂性和侦察手段的多样性,单凭蓄电池供应的电力往往不足,不能完成预期的军事侦察任务。为了解决这一问题,俄罗斯科学家提出在地面上建立一系列无线供电点,当同步卫星飞掠自己国土上方时,给它们不断供电。另一方面,随着高功率微波和激光武器反卫星技术的出现,太阳能电池板处于暴露状态,最容易受到损伤,无线输电技术可以解决太阳能电池出故障时的电能供给问题,挽救失去功能的卫星。
（3）保障天基定向能武器系统的电力定向能武器———微波武器、激光武器和粒子束武器是继核武器之后的高新技术武器,其主要用途是进行软杀伤,即破坏C4I系统中敏感的电子元器件,使其失灵或失效,以达到制胜对方的目的。近些年来,微波武器、激光武器反导弹、反卫星技术受到世界许多国家的重视,特别是美国和俄罗斯,这方面的资金投入和技术遥遥领先。从原理分析,在近地表空间使用定向能武器来杀伤大气层外的目标将遇到不可逾越的困难,这是因为空气分子要与高功率电磁射束发生相互作用和大气密度的不均匀性,使得传输的能流密度受到了限制,导致武器发挥不了应有的作用。因此,若能在外层空间建立定向能武器基地,自然的超高真空状态提供了极好的条件。除了核燃料是可供选择的能源外,借助于无线输电技术,卫星太阳能电站可作为天基定向能武器的初级能源基地。
除以上举例外，无线输电还可用于电子设备领域，解决电子设备的供电线缆复杂问题；生命科学领，解决体内人造器官的供能问题等等。 1.3
无线输电的发展历程
1889年特斯拉发明了无线输电方法，他在美国科罗拉多泉(Colorado Spring)建设实验室开发及研究此项无线传电技术，经过八个月的研究后，特斯拉便决定在长岛(Long Island)试建首座名为沃登克里弗塔(Wardenclyffe Tower)的电力发射塔，该塔能够与地球的电离层与大地构成的电容发生串联谐振，能量可以被地球的另一端的一个沃登克里弗塔所接收，通过这种方法便可以将电离层中的电力输送到地球的任意一端。该塔利用的是地球存在于电离层中的能量，因此能量非常的大并且使用起来几乎没有污染。此技术大大减少了电力传输线路所花费的成本以及传输造成的损耗，并且使用的是电离层中的电能。
2001年5月16日，一位从事太空研究的工程师居伊·皮尼奥莱在非洲留尼汪岛西南部的格朗巴桑大峡谷进行了一场特殊的实验：一只200瓦的灯泡亮了起来。在灯泡周围，既没有电线，也没有插头和插座。
居伊.皮尼奥莱的试验就是利用微波进行长距离无线输电。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，40
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米外的接收器将微波束接收后由变流机转换为电流，然后将电灯泡点亮。这次试验的成功，仅是走出了无线输电的第一步。
第二步将从2003年开始，即给整个格朗巴桑村供电。这一步的试验室试验阶段已经完成。第一批发射器和接收器样机已由留尼汪的企业造出。工程技术人员决定在距格朗巴桑村700米远的山头上建一座高压电线塔，在山头的峡谷边缘修建发射器，发射器由一个小型的喇叭状天线和一个抛物柱面反射器组成。发射器的磁控管将高压电线塔输来的电能转换为电磁波束，电磁波束被谷底格朗巴桑村旁呈蜂窝状的接收器接收。随后，电磁波能先被转换为高压直流电，然后再被转换为低压直流电，最后被转换为220伏的普通交流电供格朗巴桑村使用。最终，磁控管的优点是价格低廉，缺点是寿命短、工作频率难以控制。因此，磁控管将被雷达系统上常用的速调管所取代。速调管的工作频率极易控制，寿命也比较长，但其价格比磁控管要昂贵得多。第三种取代方案是使用半导体。
在陆地上无线输电的好处是发射器和接收器与大自然融为一体而不破坏环境，高压线输电或太阳光电板则会破坏环境；无线输电的成本比地下电缆输电的成本要低得多，甚至比用柴油发电机组发电的成本还要低。用于无线输电的微波束的强度仅为每平方厘米5毫瓦，比每平方厘米100毫瓦的阳光强度小得多。因此，微波无线输电十分安全，它不会发生电离，不会使周围生物的基因发生变异。在微波接收器下面甚至可以种植蔬菜。
研究人员下一步的计划是在太空建一座太阳能发电站：将一些地球卫星送入距地面3.6万公里高的同步轨道上，卫星上的光电板将太阳的光能转换为电能，然后将电能用微波的形式传送到地球表面。太空上的光电板平均每平方厘米可以接收140毫瓦的光能，为地球表面光能接收效率的8倍。而且，在太空，光能的接收不受昼夜、阴晴和季节变化的影响。
2015年3月8日，日本宇宙航空研究开发机构成功进行了微波无线输电实验。研究人员利用微波，将1.8千瓦电力（足够用来启动电水壶）以无线方式，精准地传输到55米距离外的一个接收装置，接收装置则将这种“无线电”转换为直流电。
2015年3月12日，日本三菱重工也宣布，科研人员将10千瓦电力转换成微波后输送，其中的部分电能成功点亮了500米外接收装置上的LED灯。这也是迄今为止日本在国内成功实验中距离最长、电力最大的一次。三菱重工周五在一份声明中说：“我们确信，这次实验表明无线输电商业化已经成为可能。 1.4
无线输电技术最新进展
（1） 新型材料的使用
超材料（Metamaterial）所指的是人工复合结构或复合材料，特点在于它们具有天然材料所不具备的超常物理性质。在材料的关键物理尺度上的进行结构特别的设计，能够突破某些表观自然规律的约束，如此获得超出自然界天然材料所
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具有的普通特性的超常材料功能。朱拉隆功大学（Chulalongkorn University）的Yan Zhao和Ekachai Leelarasmee分别采用了double negative material，μ-negative material和indefinite material（IM）三种超材料，制成薄片状用于放大特定的电磁波，从而达到增强共振耦合模式下无线输电效率的目的，其结构形式如图所示。
（2） 传能线圈结构
首尔大学（Seoul University）的学者Tae-Soon Chang提出了一种使用空腔谐振器进行无线输电的方法，并设计了一个中心频率在5.76Hz，传输效率高达75%的实例。在该传输方法中，发射端和接收端并非传统形状的线圈，而是镶嵌在谐振腔壁上的带线，其结构如图所示。
2、 各种输电方式的比较与选择
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方案1：感应耦合无线电能传输
感应耦合无线电能传输技术主要利用电磁感应耦合原理，采用可分离变压器实现电能的无线传输。图2所示为感应耦合无线电能传输系统示意图，输入的能量经过整流滤波转变成直流电，再经过高频逆变转变成高频交流电，传输到可分离变压器的原边，然后通过感应耦合电能由原边传输到副边，经过副边补偿和整流滤波得到所需要的直流电。可分离变压器的耦合性能对系统的传输效率起着至关重要的作用。气隙长度即能量传输距离直接影响变压器的能量转换效率，一般气隙长度越小，可分离变压器耦合系数越大，系统能量传输效率越高。因此，这也就决定了感应耦合无线电能传输技术只适用于能量的近距离传输，约为几到几十毫米。
能量整流滤波高频逆变原边补偿可分离变压器副边补偿整流滤波输出
图1.感应耦合无线电能传输示意图
方案2： 磁谐振耦合无线电能传输
磁谐振耦合无线电能传输技术，是利用两个具有相同谐振频率的电磁系统，在相距一定的距离时，由于电磁耦合产生谐振，进行能量传输，示意图如图3所示。该技术的理论基础是“耦合模理论。如果能量发射器与接收器具有相同的谐振频率，并且振荡电路的频率与谐振频率相同时，激发发射器产生交变磁场，当有接收器进入时，发射器和接收器产生磁谐振，接收器不断集聚能量，提供给负载使用，从而实现能量传输。理论上发射器可以同时给多个在有效区域内与之具有相同谐振频率的接收器供电，而其它非此特定谐振频率的物体则不受影响或影响很微弱。
能量整流滤波逆变发射谐振接收谐振整流滤波输出
图2.磁谐振耦合无线传输电能传输示意图 方案3：微波无线电能传输
微波无线电能传输技术，就是利用微波把电能通过自由空间从发射端输送到接收端，从而取代了输电导线。微波无线电能传输系统示意图如图4所示，直流电通过微波转换装置转变为微波，由天线发射出去；大功率的电磁波携带的能量通过自由空间传输给接收天线，然后经过微波转换装置重新转变为直流电。虽然该技术能够实现极高功率的无线能量传输，但是由于发射器必须对准接收器，而
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且不能穿过或绕过障碍物，所以能量传输受方向的限制。
能量微波转换装置DC—AC无线发射电磁波传输无线接收微波转换装置AC—DC输出 图3.微波无线电能传输示意图 方案4：激光方式无线电能传输
激光方式WPT 系统的组成部分主要包括激光发射部分、激光传输部分和激光-电能转换部分。其中，激光发射部分由激光驱动器和激光器组成，激光传输部分由光学发射天线、光学接收天线和传输控制模块组成，激光-电能转换部分由光电转换器和整流稳压器组成。激光方式WPT 的工作原理是，激光发射模块发出特定波长的激光，激光東通过光学发射天线进行集中、准直整形处理后发射，并通过自由空间到达接收端，且经过光学接收天线接收聚焦到光电转换模块上完成激光-电能的转换。传输控制模块控制激光光束发射方向，使光束与光伏电池板正入射，实现最高的光电转换效率。
选择：微波无线电能传输适合长距离传输能量，并且传输功率不大；而感应耦合无线电能传输只适用于能量的近距离传输，约为几到几十毫米,激光方式也适于近距离传输。综合考虑，选择磁谐振耦合无线电能传输方式最为合适。
本文将介绍的ZVS驱动器是一种功率大、高效而且非常简单的振荡器。它通常被用于产生高频正弦波的场合比如冷阴极LCD灯箱驱动器或者其他用途。ZVS全称零电压开关(Zero Voltage Switch)，为了研究开关电压/电流波形不交叠的技术而出现，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。
3、 电路设计
3.1
电路框图
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设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图所示。
3.2 发射电路
发射电路原理：
当电源电压作用于V+，电流开始同时通过两侧的初级线圈并施加到MOS的漏极(D)上。电压会同时出现在MOS的门极(G)上并开始将MOS开启。因为没有任何两个元件是完全一样的，一个MOS比另一个开的快一些，更多的电流将流过这个MOS。通过导通侧初级绕组的电流将另一侧MOS的门极电压拉低并开始关断它。图中电容和初级的电感发生LC谐振并使电压按正弦规律变化，其中680uF的电容是为了限制通过MOS的电流。
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ZVS的振荡频率将由变压器初级的电感和跨接在初级两端的电容决定。可以用下列公式计算：
f是频率，单位是Hz； L是初级线圈电感，单位是H； C是谐振电容，单位是F；
470欧电阻用来限制MOS门极(G)的电流，防止损坏； 10K电阻用于确保MOS可靠关断；
稳压二极管将MOS的门极(G)的电压限制在你选用的稳压二极管(12V、15V、18V)的击穿电压之内。
注意：为了谐振效果更好，在制作时两个初级线圈尽量相同。 3.3 接收电路
接收电路的谐振频率为：
L是次级线圈电感，单位是H； C是谐振电容C1，单位是F。
注意：为了得到更高的传输效率，发射电路和接收电路的谐振频率应该尽可能地相等。 4、 电路测试
4.1 电路测试方案：
保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压
U1=15V时，调节可变电阻器，使得接收端输出直流电流I2=0.5A，并测量输出直
U2I2%8 100U1I1流电压U2，并计算效率：
4.2
使用仪器
3A/30V双路稳压电源（可并联）；60MHz示波器；三位半数字万用表等。 4.3
测试结果：
采用线圈的电感均为0.2mH，串联电容选用0.04uF，计算得，理论谐振频率为56.27khz。由于计算值和理论值存在差距，所以需要实际调试得到最佳谐振频率，测试过程如图15所示，得到的最佳结果为54.5khz，对于最高效率为46.8%
频率/khz 54.9 55.0 55.2 55.4 54.8 54.7 54.85 54.5 U1/V 14. 14.7 14.5 14.5 14.5 14.5 14.6 14.5 I1/A 1.80 1.82 1.82 1.76 1.78 1.71 1.81 1.73 U2/V 23.5 23.1 21.6 18.4 23.1 22.3 23.4 23.5 I2/A 0.499 0.500 0.500 0.500 0.500 0.499 0.500 0.500 η/% 44.6 43.17 40.9 36.1 44.7 44.87 44.2 46.8 频率改变对无线电能传输效率的影响
4.4
测试结果分析：
传输效率影响因素：通过寻找最佳谐振频率，尽可能较少阻抗对传输效率的影响；并且经过试验较大频率的传输效率高。但是难以消除两线圈距离、IGBT管和线圈电阻的功耗。
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