1、無接觸電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀廣義地說，無接觸電能傳輸（Contactless Power Transfer，簡稱CPT）技術(shù)泛指一切借助某種載體實(shí)現(xiàn)無直接電氣連接的電能傳輸技術(shù)。其中，“載體”包括激光、微波、RF無線電波、以及電磁場近場耦合等。但是，由于目前研究最廣泛的是基于電磁場近場耦合的CPT技術(shù)，因此狹義的CPT技術(shù)專指這種基于電磁感應(yīng)原理，綜合利用電力電子技術(shù)、磁場耦合技術(shù)及控制理論，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備以非電氣接觸方式從電網(wǎng)獲取電能的技術(shù)。CPT技術(shù)在不同的領(lǐng)域或者不同的研究團(tuán)隊(duì)有著不同的名稱，如生物醫(yī)電領(lǐng)域稱為TET（Transcutaneous Energy Transmission）技

2、術(shù)，在其他領(lǐng)域也稱為WET（Wireless Energy Transfer）、CPS（Contactless Power Supply）、CLPS（Contactless Power Station）、IPT（Inductive Power Transfer）及ICPT（Inductively Coupled Power Transfer）等等，總而言之，所有這些不同的名字都指代著相同的東西，即通過電磁感應(yīng)的基本原理實(shí)現(xiàn)電能無接觸傳輸?shù)募夹g(shù)，這里，我們統(tǒng)稱為CPT技術(shù)。美國麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等提出一種“Witricity”技術(shù)，基于磁共振原理實(shí)現(xiàn)較大距離的無線能量

3、傳輸，2006年底他們展示了可實(shí)現(xiàn)2m距離60W功率傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)，并在Science雜志上發(fā)表了其研究成果，引起了世界轟動。它的原理是將發(fā)送端和接收端的線圈構(gòu)成了一個(gè)磁場耦合共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場頻率和接收端的頻率相同時(shí)，接收端就會產(chǎn)生共振，從而最大化地實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。這種無接觸電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離長、能量損耗較小，傳輸效率高，傳輸性能穩(wěn)定等多方面的優(yōu)點(diǎn)，因此這種技術(shù)吸引了大家更多的關(guān)注和研究。此外，還有一種將電能以微波或激光形式遠(yuǎn)程傳輸，發(fā)射到遠(yuǎn)端的接收天線，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用，這種方式由于傳輸距離遠(yuǎn) ，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，發(fā)射器發(fā)射的大部分能量損耗在傳輸空間中，致

4、使電磁輻射大、傳輸效率低 ，目前這方面國內(nèi)外研究的還較少。通過中國知網(wǎng)，目前能搜索到的國內(nèi)關(guān)于無接觸電能傳輸?shù)奈恼麓蟾庞?50篇左右，其中期刊大約有100篇，碩、博士論文有50篇左右。這些文章的內(nèi)容絕大部分都集中在采用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)無接觸傳能的，偶爾有幾篇提到用微波的方法實(shí)現(xiàn)無線傳能，而采用witricity實(shí)現(xiàn)無接觸電能傳輸?shù)倪€鮮有文章。國外無接觸電能傳輸技術(shù)的研究起步較早，他們在基礎(chǔ)理論方面已經(jīng)取得了較大的突破，并有很多產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品問世。下面我們將從CPT技術(shù)、Witricity技術(shù)和微波或激光技術(shù)這三方面來詳細(xì)介紹一下國內(nèi)外各個(gè)科研機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀。1. CPT技術(shù)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前

5、國內(nèi)外研究CPT技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)主要有重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、香港城市大學(xué)、中科院電工研究所、浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、湖南大學(xué)、鄭州大學(xué)等，他們先后開展了CPT技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)。重慶大學(xué)自動化學(xué)院孫躍教授為首的團(tuán)隊(duì)于2002年初開始對CPT技術(shù)進(jìn)行研究，該團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年科、重慶市重點(diǎn)基金項(xiàng)目、重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目等系列科研基金項(xiàng)目資助掌握了CPT技術(shù)的主電路拓?fù)?、控制策略、磁路分析等相關(guān)技術(shù)原理場空間散射和不均衡問題，提出功率磁場聚集技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)局部近似間；針對任意方向拾取問題，構(gòu)建了具有磁力線方位自動跟蹤能力的由度拾取機(jī)構(gòu)；針對傳統(tǒng)單向能量傳

6、輸帶來的能量回饋困難等問題，基于調(diào)幅控制的雙向電能高頻變換拓?fù)浼跋鄳?yīng)的控制算法；針對大范式CPT系統(tǒng)，提出能量的無線組網(wǎng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化方式擴(kuò)大非接的距離；針對城市電氣化軌道交通，提出了一套基于CPT技術(shù)的供電繞CPT技術(shù)的相關(guān)理論及應(yīng)用研究，尤其是在高頻軟開關(guān)諧振變換器及非線性行為分析等方面，該團(tuán)隊(duì)已在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊及國際會數(shù)十篇論文，擁有已授權(quán)專利一項(xiàng)，并與奧克蘭大學(xué)的呼愛國博士（PatrickAiguo Hu）合作，積極推進(jìn)該技術(shù)的理論及應(yīng)用研究，同時(shí)他們也進(jìn)行該技術(shù)的應(yīng)用推廣。2004年，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了適用于手機(jī)等便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的非接觸充電平臺；2006年，設(shè)計(jì)了多分區(qū)可獨(dú)立控

7、制的非接觸供電桌面電源，并申請發(fā)明專利；2006年，開發(fā)出2000W功率容量的CPT電源系統(tǒng)；2008年，與國內(nèi)某大型能源企業(yè)合作，開發(fā)出用于石油鉆井設(shè)備的非接觸式信號與能量傳輸裝置；2008年，與國內(nèi)某企業(yè)合作，開發(fā)出非接觸式引信感應(yīng)點(diǎn)火裝置。南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院以王慧貞高級工程師為首的團(tuán)隊(duì)向航空電源研究發(fā)面發(fā)展，他們討論了繞組位置和氣隙對可分離變壓器參數(shù)的影響，并利用電磁場軟件ANSYS進(jìn)行了有限元仿真，得出了變壓器參數(shù)隨氣隙變化的規(guī)律，對設(shè)計(jì)的可分離變壓器的參數(shù)進(jìn)行了測試，并給出了實(shí)際測試結(jié)果。松耦合全橋諧振變換器的原副邊補(bǔ)償、串串補(bǔ)償和串并補(bǔ)償?shù)奶匦砸约八神詈献儞Q器的控制方法進(jìn)行

8、了一些研究，并對全橋串聯(lián)諧振變換器構(gòu)成的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。南京理工大學(xué)把無接觸能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于引信感應(yīng)裝定系統(tǒng)中，研究了電磁感應(yīng)裝定技術(shù)，提出一種解決引信無內(nèi)置能源感應(yīng)裝定問題的能量和信息非接觸一體化傳輸技術(shù)，并對裝定器內(nèi)的可分離變壓器各種耦合情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真。浙江大學(xué)針對磁浮列車低速時(shí)車載直線發(fā)電機(jī)供電不足的問題，提出了提出了注入高次諧波電流的非接觸緊急供電方案，分析了副邊電容串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒?，探討了原邊補(bǔ)償?shù)母鞣N方法，并利用模擬實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了效率提升方法的可行性。香港城市大學(xué)的許樹源教授也是較早的涉足于CPT技術(shù)的研究，他主要研究了PCB(Printed

9、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，許教授的充電平臺利用近場電磁耦合原理，其產(chǎn)生的低頻道電磁場，不會損害電子產(chǎn)品內(nèi)的記憶體，實(shí)驗(yàn)證明充電平臺所需的充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器差不多，因此他為手機(jī)等小功率消費(fèi)電子產(chǎn)品的便捷安全充電提供了很好的解決方案。此外，湖南大學(xué)對高頻滑動松禍合變壓器原理及設(shè)計(jì)給出了方案，中科院電工所、鄭州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也都對可分離變壓器的結(jié)構(gòu)、初、次級電路的補(bǔ)償方法給出了可靠的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。國外的新西蘭、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(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與實(shí)用技術(shù)開發(fā)，并針對一些特殊領(lǐng)域開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。在國外，

10、主要研究CPT技術(shù)的學(xué)府有新西蘭奧克蘭大學(xué)(The University of Auckland)，日本東京大學(xué)(Tokyo University)、崇城大學(xué)(Sojo University)、東北大學(xué)(Tohoku University)等。新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯(John T.Boys)教授為首的課題組率先提出了基于電磁耦合技術(shù)的非接觸電能傳輸技術(shù)，即感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)，他們將其命名為ICPT技術(shù)。自上世紀(jì)90年代以來，他們一直在研究CPT技術(shù)的基本原理及其在有軌電車、單軌行車及運(yùn)料車等軌道交通設(shè)備、生物體內(nèi)電氣設(shè)備等的無接觸供電以及電動汽車感應(yīng)充電等方面的應(yīng)用，先后發(fā)表了上百篇期刊及會

11、議論文，詳細(xì)闡述了CPT技術(shù)的基本原理及設(shè)計(jì)思路、耦合場機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、啟動控制問題、頻率分析、頻率穩(wěn)定策略、電路分析方法、能量與信號同步傳輸、功率控制策略以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題等，呼愛國博士(Patrick Aiguo Hu)的博士論文作為奧克蘭大學(xué)CPT技術(shù)研究的第一份博士論文，對CPT技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，目前更是受到了廣泛的參考和引用。另外奧克蘭大學(xué)還擁有CPT技術(shù)相關(guān)的數(shù)十項(xiàng)專利，并積極進(jìn)行該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，先后與德國Wampfler公司及日本Daifuku公司等合作推出CPT技術(shù)在工廠物料系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)品，與新西蘭Telemetry Research公司合作開發(fā)非接觸供電的生物體內(nèi)

12、遙測產(chǎn)品，與新西蘭PowerbyProxy公司合作研發(fā)轉(zhuǎn)動機(jī)械臂的非接觸供電裝置等。日本東京大學(xué)的Takao Someya教授等研究人員運(yùn)用印刷式塑性MEMS開關(guān)及有機(jī)晶體管技術(shù)研究小功率CPT技術(shù)，成功研制出一種可大面積鋪置的能量發(fā)射塑性膜片，該膜片結(jié)構(gòu)上包含了四層，功能上分為位置傳感單元和能量發(fā)射單元兩個(gè)部分，其中位置傳感單元采用了高頻的有機(jī)晶體管，而能量發(fā)射單元則采用了低阻抗的塑性MEMS開關(guān)，該系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載的位置，控制相應(yīng)能量發(fā)射線圈工作，從而實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸，在原副邊結(jié)合較為緊密(100m)的情況下，可實(shí)現(xiàn)40.5W最大傳輸功率及81.4%的傳輸效率。他們的這一研究成果于200

13、7年發(fā)表在Nature Material雜志。日本崇城大學(xué)的Hiroshi Sakamoto及Kumamoto Institute of Technology的Koosuke Harada教授從上世紀(jì)90年代初就開始了CPT技術(shù)在電動汽車的非接觸充電等方面的研究，先后在IEEE Transactions on Magnetics等重要刊物上發(fā)表了十余篇論文，其研究內(nèi)容主要包括能量與信號同步傳輸，磁場耦合機(jī)構(gòu)等。東北大學(xué)的Fumihiro Sato及Hidetoshi Matsuki教授等于上世紀(jì)90年代初開始研究電動汽車的無接觸供電技術(shù)，與東京大學(xué)的方案類似，他們的方案中也采用了多原邊發(fā)射線圈

14、，并通過位置傳感線圈檢測車輛位置，然后根據(jù)車輛位置自動切換原邊工作線圈。2001年，他們將這種CPT方案應(yīng)用到了桌面電源，解決便攜式電子設(shè)備的無接觸充電問題，同時(shí)對水下自動巡航機(jī)器人的非接觸供電技術(shù)進(jìn)行了研究。2004年，他們開始研究植入式功能電激勵模塊及人工心臟等生物體內(nèi)電子設(shè)備的非接觸電能及信號傳輸技術(shù)，對人造器官的體外非接觸供電以及信息傳遞進(jìn)行了理論和實(shí)踐探索。日本橫濱國立大學(xué)(Yokohama National University)的M.Nishimura及A.Kawamura等研究了高速列車的非接觸供電問題。日本日立研究實(shí)驗(yàn)室的Hideki Ayano等研究了電梯及自動巡航車的非接

15、觸供電系統(tǒng)，對其松耦合電磁機(jī)構(gòu)的磁芯型狀和繞圈的形狀及繞制等作了較為詳細(xì)的分析。日本Yokohama National University的Atsuo Kawamura等研究了旋轉(zhuǎn)式CPT系統(tǒng)的無線電能及信號傳輸。韓國Kyungpook National University的Byungcho Choi等研究了手機(jī)非接觸充電裝置的設(shè)計(jì)與制作，通過采用印刷電路板上刻制的線圈來大大減小原副邊線圈的體積，從而使得副邊拾取及整流充電電路部分可以全部內(nèi)置于手機(jī)。美國General Atomics Electronic Systems公司的Byeong-Mun Song等研究了磁懸浮列車的非接觸供電問題

16、。美國Delta Products Corporation的Yungtack Jang及Milan M.Jovanovic研究了可適應(yīng)寬輸入電壓及寬負(fù)載范圍的非接觸電能傳輸技術(shù)，并將其應(yīng)用到便攜式電話的非接觸充電中。下面介紹一些應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無接觸能量傳輸產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀：從1999年開始，德國VAHLE公司是另一家專門從事移動供電和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的公司，該公司研發(fā)的非接觸供電系統(tǒng)CPS(Contactless Powered Supply)應(yīng)用于軌道移動設(shè)備如起重機(jī)系統(tǒng)、升降機(jī)、單軌道系統(tǒng)、載人器械等設(shè)備。他們的產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到Volkswagen、BMW、Ford及Skoda等公司的自動

17、生產(chǎn)線上。2002年，公司在美國密西西比州TowerAutomotive安裝電動單軌系統(tǒng)，導(dǎo)軌長達(dá)182m，可同時(shí)驅(qū)動17個(gè)小車。2003年，公司為莫斯科電視塔安裝4臺基于CPS技術(shù)的起升高度為363米的升降機(jī)。2003年，ABB公司開始生產(chǎn)傳感器與執(zhí)行器的無線接口產(chǎn)品WISA(Wireless Interface to Sensors and Actuators)，該產(chǎn)品中采用的無線電能傳輸系統(tǒng)(WPU100型)可以實(shí)現(xiàn)在三維立體空間中為多個(gè)無線傳感器或執(zhí)行器供電。WISA設(shè)備可在27空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了所有傳感器及執(zhí)行器的無線能量輸送及信號傳遞。美國WildCharge公司的研究人員于2001

18、年開始研發(fā)無線能量傳輸技術(shù)(Wire-free electric power technology)，2008年，他們設(shè)計(jì)的無線充電器獲得國際消費(fèi)電子展(CES2008)最佳創(chuàng)新獎，目前該產(chǎn)品已正式上市，如圖所示?？赏瑫r(shí)給多個(gè)內(nèi)置了接收線圈的手機(jī)、mp3播放器等消費(fèi)電子產(chǎn)品進(jìn)行充電。新西蘭的TELEMETRY RESEARCH公司與奧克蘭大學(xué)生物學(xué)院和工程學(xué)院的研究小組合作開發(fā)出了可在體外無線充電的植入式監(jiān)測儀，該裝置植入動物體內(nèi)后，可長期方便地監(jiān)測動物心電、血壓等生理信號，電池電量低的時(shí)候可以在體外直接充電，而無需進(jìn)行任何手術(shù)，大大降低了手術(shù)帶來的成本及風(fēng)險(xiǎn)。中央電視臺新聞報(bào)道，一種非接觸式

19、充電的新型混合動力巴士在日本投入試運(yùn)行，它被用于東京羽田機(jī)場航站樓之間的旅客運(yùn)輸。非接觸式充電，就是利用電磁感應(yīng)原理及電能變換等技術(shù)，以無線方式實(shí)現(xiàn)充電，這使充電過程更加便捷。車輛只需停到設(shè)置在路面的電源線圈的正上方，就能通過電磁誘導(dǎo)給車輛的鋰電池快速充電。這種混合動力巴士的最高時(shí)速為80公里，如果單獨(dú)使用電力，充電一次可行駛約15公里。在中國，孫躍教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從2002年開始相繼研制出了小型系統(tǒng)、中小型系統(tǒng)和大型系統(tǒng)（如圖所示），分別從功率、功率密度和效率上取得了很大的進(jìn)步。他們研制的可分區(qū)控制的電源板早在2006年就申請了國家專利，該產(chǎn)品基于小型CPT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了桌面用電設(shè)備的無線供電。

20、在工業(yè)應(yīng)用方面，該團(tuán)隊(duì)通過與企業(yè)合作，研制出了水下用電設(shè)備的非接觸供電裝置。除此以外，該團(tuán)隊(duì)還致力于軌道交通和其他領(lǐng)域的非接觸供電技術(shù)研究。2. Witricity技術(shù)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前，Witricity技術(shù)國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)也不是很多，2007年6月，美國麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)公開做了一個(gè)演示，他們給一個(gè)直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.9米）之外連接在另一個(gè)線圈上的60瓦燈泡被點(diǎn)亮了，這種馬林稱之為“WiTricity”技術(shù)的原理是“磁耦合共振”，從此開始了對witricity的研究，此外美國的匹茲堡大學(xué)的

21、孫民貴教授領(lǐng)導(dǎo)的研究也較早地開展了對witricity技術(shù)的研究，而國內(nèi)這方面的研究較少，只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授把這項(xiàng)技術(shù)用于電動汽車上，致力于大功率witricity的研究。麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員除了演示了從6英尺的距離對60W燈泡進(jìn)行遠(yuǎn)程供電的實(shí)驗(yàn)（如下圖所示）外，并在Science雜志上發(fā)表了其研究成果，先后發(fā)表了幾篇具有重要意義的學(xué)術(shù)論文，這些文章很詳細(xì)地論述了磁耦合共振的基本原理，推導(dǎo)出了影響能量的傳遞效率幾方面的因素，清晰地給出了能量、效率、距離、耦合系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等幾方面的關(guān)系曲線圖，并且研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)對無接觸能量傳輸?shù)挠绊?，討論了產(chǎn)生振蕩時(shí)的頻率相同的

22、電磁波的波長與線圈之間的距離D和線圈的半徑R三者之間的比例關(guān)系，同時(shí)是研究了三個(gè)線圈之間的無接觸能量傳遞的過程，提出了一種電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象（EIT），并且解釋了這種基于磁耦合共振傳能的方法不會對人體健康帶來不良的影響?？傊琈IT的研究成果為Witricity技術(shù)的提供了科學(xué)的理論依據(jù)，為無接觸能量傳輸技術(shù)做出了重要的貢獻(xiàn)。美國匹茲堡大學(xué)以孫民貴為主的科研小組在MIT的基礎(chǔ)上，運(yùn)用各種拉普拉斯變換等形式對原有的理論公式進(jìn)了一系列的變換，得出了一些更加具有代表意義的公式，充實(shí)了Witricity理論的研究，提出了能量在發(fā)送線圈和接收線圈之間雙向傳遞的理論，同時(shí)對線圈進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了一

23、種較為理想線圈結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如下圖所示），對多個(gè)線圈之間能量傳遞的也進(jìn)行了大量的研究，提出了一套Witricity的相關(guān)理論及應(yīng)用研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授致力于大功率witricity技術(shù)的研究，制作了一套大功率系統(tǒng)的模型（如下圖所示），實(shí)現(xiàn)了較大功率能量的傳輸，證明了Witricity技術(shù)的可行性。目前，應(yīng)用witricity原理實(shí)現(xiàn)無接觸能量傳輸商業(yè)化的產(chǎn)品也都在孕育之中，值得一提的是2010年1月7日在美國拉斯維加斯開展的CES2010消費(fèi)電子展上，民族品牌海爾亮相了全球第一款“無尾電視（No-tail TV）”，一臺省略了視頻線、音頻線、信號線、網(wǎng)線甚至電源線的真正的、徹底的