1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)12-0001-05Abstract: 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 prospectCHENG Li-min, CUI Yu-long（College of Information Science&Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China ）Magnetic Coupling Resonant Type Wireless Power TransmissionTechnology Study Progress0 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。