目前比较常见的无线电能传输方式为微波传输、磁感应式传输以及近几年得到广泛研究的磁共振传输。又因为微波频率(300MHz-300GHz)一般比较高,在进行大功率传输时便会对人体及其他生命体产生一定的辐射危害,但是微波能够携带大量的信息,因此微波主要应用在电子通信等小功率方面。而在实际大功率应用中,一般采取感应耦合式传输和磁共振式传输方式。
磁感应式无线传输和磁共振式无线传输技术有着用途上的不同,磁感应式无线电能传输借助磁场间的强耦合作用可以实现较大的功率传输,而在一些中小功率的传输场合,由于其对位置要求比较苛刻,位置发生偏移时传输特性变化比较敏感[3];在耦合程度上磁共振式电能传输技术远远小于磁感应式无线电能传输技术,因此可以实现较为可观的传输距离,其实现的功率传输也可达到所需范围,因此使用起来方便。
行业内为了规范无线传能的研究及应用,相关企业均参与到标准的制定中,与此同时Qi标准在无线充电联盟(WPC)的大力发展下得到了众多企业的支持和认可,其所采用的便是磁感应式技术。Qi标准的制定下为采用Qi标识的产品提供了很大的便利。也就意味着电子产品的通用性得到了保障。Qi的主要面向为电子产品领域,其所提供的功率也一般在5瓦特左右,并且使用Qi标准进行充电的设备往往对位置要求很严格,需要完全或近乎完全的按照设定方式靠在一起。Qi标准由于采用的电磁感应式传输,其耦合程度很高,这样便会引发电子产品内部众多其他部件也会接收到能量的传输,导致机身其他部件发热。
2012年,另外一个无线电能传输行业标准A4WP成立,A4WP的全称为AllianceforWirelessPower。其目标是为电动汽车以及电子设备中需要功率与距离兼备的产品提供行业标准与技术统一。该无线充电联盟与前者不同的是前者采用的电磁感应原理,而A4WP则采用的是磁共振原理,相比于Qi,A4WP由于采用了共振技术,即使在松耦合情况下也能实现功率的可观输出。这也就意味着在同一时间段内可以实现为多台设备共同供电,同时也不需要刻意的保证位置的一致性。
目前对无线电能传输技术的研究涉及到多个方面,线圈方面在最初的双线圈结构中添加中继线圈以实现距离及效率的改善,同时也在考虑耦合平台中添加其他材质的媒介。在系统控制方面有调谐、调压控制电路实现不同输出功率的控制。在互感耦合参数方面也在研究不同线圈绕制方法以及磁芯不同结构的影响。在其他诸如功耗、最佳工作区域等方面也有广泛的研究。
1、国外研究现状
国外无线电能传输技术的研究工作发展于上个世纪90年代。美国麻省理工学院的科研团队于2007年利用磁耦合谐振原理,采用两个完全相同的铜线圈,成功点亮了一个功率为60W两米之外的灯泡[2],虽然传输效率仅为40%左右,但是极大促进了世界范围内各个研究小组对无线电能传输的深入研究。之后MIT又相继提出了在原先两线圈的耦合结构之上添加中继线圈,中继线圈的频率与其他线圈保持相同[4]。在另外一篇文献中指出多负载系统的传输效率要比单负载传输效率高[5]。不只是MIT对多线圈结构进行了研究,韩国一家研究所分析了四线圈耦合结构,其由发射线圈、接收线圈以及两个自谐振的中继线圈组成,实验表明当中继线圈位置不同时可有效影响功率传输的效率[6]。美国华盛顿大学提出了一种自适应频率调谐系统,用以补偿因发射机与接收机距离或方向变化带来的效率变化问题[7]。
目前大功率无线电能传输技术的研究大多在电动汽车领域。2011年,韩国科学技术研究院将无线供电系统的发射线圈埋入地表以下,为民用小型汽车提供30kW的无线供电,效率达到了80%,随后又为一辆电动汽车提供25kW的无线供电,垂直相距6cm,传输效率达到了93%[8],之后该研究机构又相继提出了动态的在线对电动汽车进行非接触充电的方法[9],即在巴士运行路段内铺设无线充电设备,在巴士运行过程中对其进行随时充电。最近日产汽车将开始支持WiTricityDRIVE充电系统,它将只需要车主把电动汽车停在充电板上方即可。WiTricity系统采用的是磁共振原理,充电灵活性更高。目前,WiTricity无线充电技术的效率高达91%-94%,这一数据甚至高于有线充电,因为有线充电往往需要安装电流转换器,某种程度上影响了充电效率。在双向转换供电研究上,奥克兰大学研究了双向供电系统,即当电动汽车需要电能时又电网向其供电,待其暂时不用电能且短时电网其他负荷需要更多的电能时再由电动车向电网反馈[10]。