時(shí)間：2023-05-30 09:57:31
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無(wú)線電能傳輸，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
[關(guān)鍵詞]無(wú)線電能傳輸技術(shù)；綜述；應(yīng)用前景
前言
無(wú)線電能傳輸技術(shù)有名無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)，是指一種借助于電磁場(chǎng)或電磁波進(jìn)行能量傳遞的技術(shù)，目前我國(guó)對(duì)此技術(shù)還在繼續(xù)研究階段。現(xiàn)在的無(wú)線電能傳輸是由電磁感應(yīng)式、電磁共振式和微波電能傳輸方式三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于越來(lái)越多的電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，為人們的生活帶來(lái)了極大的方便，但是傳統(tǒng)的通過(guò)導(dǎo)線或者插座充電的電力傳輸方式已經(jīng)逐漸不能適應(yīng)更新?lián)Q代極快的電子產(chǎn)品了。人們希望能有更加新型的電能傳輸技術(shù)來(lái)取代的傳統(tǒng)電力傳輸方式，從而來(lái)消除紛亂電源線給人們帶來(lái)的巨大困擾。因此，無(wú)線電力傳輸技術(shù)便很自然的順應(yīng)了人們的需求，隨之便走進(jìn)了人們的日常生活以及各個(gè)所需要的領(lǐng)域。
1.無(wú)線電能傳輸技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展
我國(guó)在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研究是從2000年才開始的，與世界其他國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)于該領(lǐng)域的研究相對(duì)較遲。起步初始時(shí)，主要是研究直接耦合的方式并將其應(yīng)用于汽車上。從2007年開始，我國(guó)對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究逐漸加大了力度，投入了大量的心血。從這幾年的研究群體來(lái)看，科研工作者主要是國(guó)內(nèi)的知名高校、科研機(jī)構(gòu)以及一些科技公司，其中具有代表性的有浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、青島科技大學(xué)以及中科院、海爾集團(tuán)等學(xué)校或機(jī)構(gòu)組織。其中最為重要的，在研究過(guò)程中具有里程碑意義的是在2010年CES展會(huì)上，海爾應(yīng)用無(wú)線電力傳輸技術(shù)推出了一款無(wú)尾電視，接著在2011年，海爾集團(tuán)與山東的幾所高校聯(lián)合，在超前技術(shù)研究中心共同繪制完成了“無(wú)線電力傳輸產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖”。未來(lái)幾年，無(wú)線電力傳輸新興產(chǎn)業(yè)將隨著科技水平的不斷提升而加速發(fā)展，將會(huì)達(dá)到的產(chǎn)業(yè)規(guī)模會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并同時(shí)在全國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，從而帶動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。再這樣的發(fā)展速度下，作者相信無(wú)線電能傳輸技術(shù)完全進(jìn)入我們的生活將指日可待。
2.目前無(wú)線電能傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式
作者在前文中提到過(guò)，按照原理來(lái)分，目前在已經(jīng)出現(xiàn)的無(wú)線電能傳輸技術(shù)中，主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式以及微波電能傳輸方式三種技術(shù)方式。其中電磁感應(yīng)式是利用變化中的電流來(lái)通過(guò)初級(jí)線圈而產(chǎn)生磁場(chǎng)，由變化的磁場(chǎng)再次通過(guò)次級(jí)線圈感應(yīng)出電場(chǎng)，從而來(lái)達(dá)到電能的傳輸。這種方式是無(wú)線電能傳輸中目前出現(xiàn)最早、發(fā)展最快、應(yīng)用最多的技術(shù)。而電磁共振式技術(shù)，它將天線固有的頻率與發(fā)射場(chǎng)電磁頻率相一致時(shí)引起的電磁共振接收后，通過(guò)電磁耦合的共振效應(yīng)來(lái)達(dá)到電能傳輸，2007年的MIT就是通過(guò)這種技術(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種共振技術(shù)方式適合在短距離內(nèi)使用需要大功率電源的機(jī)器，如汽車、電冰箱等。所謂的微波電能傳輸技術(shù)，是將電能轉(zhuǎn)化為微波，讓電力以微波的方式發(fā)射，然后微波經(jīng)自由空間傳送到目標(biāo)位置，通過(guò)微波輻射的方式到達(dá)接收端，轉(zhuǎn)化成直流電能的技術(shù)。一般的微波電能傳輸方式距離比較短，通常為10m左右，而且這種技術(shù)方式功率小，傳輸效率低，應(yīng)用的范圍也較小。正常情況下，研究人員都會(huì)用前兩種技術(shù)方式來(lái)進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)和操作，但微波電能傳輸技術(shù)也可以在近距離內(nèi)被較小拱了的電器使用，如麥克風(fēng)、電吹風(fēng)等。以上三種無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)方式是研究中必不可少的，在整個(gè)研究領(lǐng)域內(nèi)具有非常重要的地位。因此科研工作者對(duì)這三種技術(shù)方式的研究從來(lái)沒(méi)有放松過(guò)，要想將無(wú)線電力傳輸技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域，必須對(duì)這三種技術(shù)方式最夠熟悉的掌握其主要內(nèi)容，為后面的研究打好基礎(chǔ)。
3.目前無(wú)線電力傳輸技術(shù)所面臨的問(wèn)題
無(wú)線電能傳輸技術(shù)在我國(guó)雖然不是一個(gè)新的概念，但是它的新技術(shù)和新應(yīng)用的引入已經(jīng)使它成為一門新的值得研究的學(xué)科。雖然目前我國(guó)無(wú)線電能傳輸技術(shù)在不斷的進(jìn)步，但是在研究過(guò)程中仍然會(huì)有很多的問(wèn)題存在。比如在無(wú)線電力傳輸?shù)男屎途嚯x的計(jì)算，高頻功率電源和整流技術(shù)等問(wèn)題仍沒(méi)有得到比較好的解決。而被研究出來(lái)的高頻電源方案在運(yùn)用于實(shí)際生活中都普遍存在著效率低下、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題的缺陷，并且無(wú)線電力傳輸技術(shù)在系統(tǒng)控制方面也存在著較明顯的問(wèn)題。在研究如何能更好的利用無(wú)線電力傳輸技術(shù)時(shí)，還要考慮電磁輻射對(duì)人身是否安全和是否會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不利的影響。由于無(wú)線電力的傳輸不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制，它是通過(guò)微波的發(fā)射來(lái)來(lái)傳輸電力的，所以如果有高能量的能量密度出現(xiàn)，則會(huì)對(duì)人們的身體安全帶來(lái)影響。還有就是系統(tǒng)整體性能有待提高整體傳輸效率低。其主要原因還是由于能量的控制難以掌握，科研工作者還是無(wú)法達(dá)到能量的對(duì)點(diǎn)傳送，在整個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程中仍然會(huì)通過(guò)散射的方式來(lái)?yè)p耗掉一部分能量，這樣的低效率甚至是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。但是隨著電子傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳輸?shù)男室矔?huì)逐漸提高，所以控制好微波的傳輸密度也是研究人員目前面臨的一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題。
4.我國(guó)無(wú)線電力傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景
目前，在世界范圍內(nèi)，無(wú)線電力傳輸技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用與許多領(lǐng)域，比如在便捷通訊、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、水下探測(cè)應(yīng)用、航空運(yùn)輸領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)器械領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域，而且有較明顯的成就。因?yàn)橹袊?guó)對(duì)無(wú)線電力傳輸這一快的研究起步比較晚，所以目前還不能將其運(yùn)用于這么多領(lǐng)域內(nèi)。但是從目前的研究速度和投入力度來(lái)看，我國(guó)對(duì)無(wú)線電力傳輸技術(shù)這一領(lǐng)域的研究是特別重視的，而且每一年都會(huì)取得巨大的進(jìn)步。所以，作者相信在未來(lái)的10-20年間，我國(guó)會(huì)將無(wú)線電力傳輸技術(shù)運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，將會(huì)涉足于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家庭的日常生活以及航空航天的各個(gè)角落，從而使我國(guó)人民的日常生活更加便捷，提高人們的生活品質(zhì)并且有效的起到節(jié)約能源、電能的作用，為能源的節(jié)約開辟了一條新型的道路。當(dāng)有一天，無(wú)線電力傳輸技術(shù)運(yùn)用于在我國(guó)被普遍運(yùn)用，利用微波傳輸輸電能的技術(shù)，來(lái)解決電網(wǎng)的死角，將會(huì)對(duì)我國(guó)落后偏僻地區(qū)有巨大的影響，將會(huì)帶動(dòng)這些偏僻落后的地區(qū)走上快速發(fā)展的道路。
結(jié)語(yǔ)
無(wú)線電力傳輸是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的新技術(shù)，因?yàn)槠涮赜械陌踩浴⒈憬菪远蔀榱爽F(xiàn)在人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。盡管它也存在著一些很明顯的缺點(diǎn)，如穩(wěn)定性差、系統(tǒng)傳輸難以控制、傳輸效率低等。但作者相信在廣大科研工作者的努力下，這一技術(shù)的發(fā)展將會(huì)有更好的條件、更光明的前景。未來(lái)，無(wú)線電力傳輸將會(huì)完全取代傳統(tǒng)的電力傳輸方式，并且將會(huì)不斷融入人們的生活當(dāng)中，逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞剑屓藗冋嬲龑?shí)現(xiàn)過(guò)無(wú)線生活的夢(mèng)想。雖然這個(gè)過(guò)程會(huì)經(jīng)歷很多的艱辛，歷經(jīng)很長(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)伴隨著無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)與失敗，但是作者認(rèn)為只要堅(jiān)持著不要輕易放棄，就會(huì)達(dá)到我們所期望得到的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；非接觸；磁耦合；共振
作者簡(jiǎn)介：王敏星（1964-），男，河南濟(jì)源人，河南省濟(jì)源市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，工程師；李大偉（1987-），男，河南濟(jì)源人，河南省電力公司濟(jì)源供電公司。（河南 濟(jì)源 459000）
中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0263-03
無(wú)線電能傳輸技術(shù)（WPT，Wireless Power transfer）能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)導(dǎo)線連接情況下的電能傳遞，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用、礦井采掘、移動(dòng)設(shè)備充電等特殊場(chǎng)合具有較大的應(yīng)用前景。隨著移動(dòng)通信設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)汽車等技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)發(fā)展非常迅速，并且取得了較大的進(jìn)展。伴隨著研究和市場(chǎng)化的不斷深入，作為一種前景廣闊的電能傳輸方式，在電磁兼容、人體健康和傳輸效率等方面都產(chǎn)生新的研究問(wèn)題，需要進(jìn)一步明晰研究方向并針對(duì)存在的問(wèn)題深入研究。
一、無(wú)線電能傳輸技術(shù)的方式
雖然采用超聲波和其他機(jī)械波能夠無(wú)線傳輸能量，但目前無(wú)線電能傳輸?shù)闹髁鞣绞饺允抢秒姶艌?chǎng)傳輸能量。從頻率的角度來(lái)說(shuō)，采用的頻率包括從若干GHz跨越到若干kHz的廣大范圍。在較高頻率段，利用微波傳輸能量（甚高頻以上的頻率范圍，頻率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通過(guò)控制發(fā)射天線的朝向使能量以電磁波的形式準(zhǔn)確發(fā)射到接收天線。該方法傳輸方向性較強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)，但易被障礙物遮擋，還需要較復(fù)雜的天線對(duì)準(zhǔn)裝置。而且高頻電磁波的生物安全性較差，高功率的電磁波對(duì)人體有較大傷害，因此在民用領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)會(huì)較少。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁場(chǎng)頻率在10MHz以下，通過(guò)電諧振體之間的耦合磁場(chǎng)來(lái)傳輸電能。這種方法可以在一定的距離（幾厘米到幾米）范圍內(nèi)傳送能量，功率值可以達(dá)到幾百瓦。而感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁場(chǎng)的耦合程度，可以傳送較大的功率，效率較高。但由于磁材料的限制，工作頻率不宜過(guò)高，通常在1MHz以下。在距離增大時(shí)，磁材料之間的氣隙增加，耦合程度急劇降低，因此傳輸距離相對(duì)較近（常常在幾毫米到幾十厘米）。在民用和工業(yè)應(yīng)用中，磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（MCRWPT）和感應(yīng)耦合式（MIWPT）的傳輸距離基本滿足常用設(shè)備的充電距離要求，從理論上能夠獲得更大的功率和更高的效率，因此具有較大前景，是目前研究的熱點(diǎn)。本文從幾個(gè)方面介紹此兩項(xiàng)技術(shù)的研究與發(fā)展。
二、研究?jī)?nèi)容和研究方向
1.基本理論和技術(shù)研究
率及效率的模型研究：目前對(duì)無(wú)線電能傳輸方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]電磁場(chǎng)分析方法、[3，4]等效電路法[5]等。
耦合模方法可見文獻(xiàn)[1]所采用的基本方程表達(dá)式：
（1）
其中：為代表諧振體中的能量；為激勵(lì)角頻率；為自損耗系數(shù)；為諧振體m和n之間的耦合系數(shù)；為代表外加驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)項(xiàng)。
其基本思想是，給出系統(tǒng)的源、損耗及特征量，通過(guò)求解器損耗與特征量的關(guān)系，即求得系統(tǒng)效率及傳輸功率的解。電磁場(chǎng)方法根據(jù)電磁場(chǎng)理論求解電磁場(chǎng)方程，以此求得傳輸效率等結(jié)果。而等效電路方法主要針對(duì)磁耦合的特點(diǎn)，利用電路理論求解電路方程，以此獲得系統(tǒng)的結(jié)果。
幾種建模方法各有優(yōu)劣：耦合模方法可以從能量角度進(jìn)行分析，但是不夠直觀；電磁場(chǎng)分析方法理論上可以計(jì)算非常詳盡的電磁場(chǎng)分布[3]，理論上可以計(jì)算出耦合磁場(chǎng)能量傳輸細(xì)節(jié)。但過(guò)于復(fù)雜性，不便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。通常借助電磁場(chǎng)仿真軟件以求得分部場(chǎng)的直觀數(shù)值解。等效電路法應(yīng)用直觀，是目前采用較多的方法，但是由于對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行了低頻簡(jiǎn)化，對(duì)高頻條件下電磁特性描述較粗略，不利于有關(guān)電磁場(chǎng)方面的研究。理論未來(lái)的研究方向?qū)⒔⒏訙?zhǔn)確和合理的分析模型，甚至提出更加新穎的傳輸模式，從理論高度提高系統(tǒng)的指標(biāo)，并以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造無(wú)線電能傳輸裝置。
第二，線圈結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。根據(jù)電路互感模型的一般結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
通常可以得到以下矩陣形式的方程：
（2）
諧振條件下傳輸效率：
線圈2在線圈1中產(chǎn)生的反映阻抗為，可見反映阻抗中負(fù)載側(cè)電阻值位于分母中，對(duì)于源側(cè)的影響變?yōu)樨?fù)向變化。即負(fù)載側(cè)電阻值越高，傳輸效率越小。實(shí)際電路中，通常源內(nèi)阻和負(fù)載線圈側(cè)的電阻RB2往往較大。因此，雙線圈結(jié)構(gòu)傳輸效率往往較低。但根據(jù)上述分析，通過(guò)改變系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)和數(shù)量，可以改變不同線圈中的反映阻抗，進(jìn)而改變耦合系統(tǒng)的效率、傳輸功率和傳輸效率。因此出現(xiàn)了三線圈[5]、四線圈[1]和多線圈[6]等情況。
第三，參數(shù)匹配方法及參數(shù)設(shè)計(jì)。在確定整體結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，還需要計(jì)算和均衡線圈的各項(xiàng)參數(shù)。線圈按照諧振的形式主要有自諧振線圈和電容-線圈諧振線圈。按照線圈的纏繞方式可分為密繞線圈、平面線圈、螺旋線圈等。電路參數(shù)主要有電感值、電容值和電阻值等。對(duì)于高頻線圈還存在著寄生電容等高頻參數(shù)。在分析和設(shè)計(jì)中，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)增加耦合程度、減少內(nèi)阻和提高品質(zhì)因數(shù)以提高系統(tǒng)性能。目前的研究主要集中在線圈結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)等方面，[7]針對(duì)線圈的新構(gòu)形和新材料的研究也是一個(gè)重要的研究方向。
2.無(wú)線電能傳輸?shù)募?lì)源
激勵(lì)源是無(wú)線電能傳輸?shù)暮诵脑Ｏ鄬?duì)于普通的高頻信號(hào)源和開關(guān)電源，激勵(lì)源不但工作在高頻條件下，而且還要承擔(dān)功率變換的功能。作為能量傳輸路徑中第一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的總體指標(biāo)的影響非常顯著。而且由于電路中諧振作用，功率元件往往要承受諧振電壓或者諧振電流的沖擊，其數(shù)值會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)輸入電壓或者輸入電流。因此，無(wú)線電能傳輸?shù)募?lì)源設(shè)計(jì)更加困難。目前多采用的是D類開關(guān)型和E類諧振型放大電路。按照功率元件的數(shù)量和結(jié)構(gòu)，有單管、非對(duì)稱半橋、全橋等。該方向的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)高頻大功率條件下的高效率、低損耗和微型化，設(shè)計(jì)出更加適合無(wú)線電能傳輸?shù)膶Ｓ酶哳l激勵(lì)源。
3.電路結(jié)構(gòu)研究
由于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍愈加廣闊，需要適應(yīng)和滿足更加苛刻和多樣化的工作條件與限制。例如為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在電網(wǎng)運(yùn)行中能量緩沖的作用，無(wú)線充電裝置不僅需要單向充電，而且還需要將能量從電動(dòng)汽車反向傳輸給電網(wǎng)。醫(yī)用領(lǐng)域中對(duì)系統(tǒng)的體積和可靠性指標(biāo)的要求非常苛刻，因此無(wú)線電能傳輸裝置既要盡量壓縮體積、提高可靠性，而且還要實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的同時(shí)傳輸。越來(lái)越多新的應(yīng)用呼喚更加多功能和更強(qiáng)適應(yīng)性的無(wú)線電能傳輸裝置。因此需要提出更多新型的多功能電路結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)電路的緊湊性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]
4.標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章及醫(yī)學(xué)影響
目前，已經(jīng)出現(xiàn)了三個(gè)主要的無(wú)線電能傳輸標(biāo)準(zhǔn)（聯(lián)盟），其中Qi聯(lián)盟成立于2008年12月，目前已推出針對(duì)便攜電子產(chǎn)品的低于5W以下設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)還將會(huì)提出更大功率的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而形成體系。[10]
對(duì)人體影響的疑慮貫穿于整個(gè)無(wú)線電能技術(shù)的發(fā)展，這方面的研究始終是重點(diǎn)之一，包括醫(yī)學(xué)相關(guān)性、輻射限制和磁場(chǎng)控制等多個(gè)方面。目前多采用計(jì)算機(jī)仿真和人體模擬的方式研究對(duì)人體的影響。未來(lái)將會(huì)進(jìn)一步深入研究無(wú)線電能傳輸裝置的生物性影響；同時(shí)，通過(guò)技術(shù)手段減少磁場(chǎng)泄露和影響，以滿足相關(guān)的限制性標(biāo)準(zhǔn)。
5.醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究
由于無(wú)線電能傳輸避免了導(dǎo)線的束縛，人體內(nèi)部植入設(shè)備的應(yīng)用將會(huì)變得非常便利，因此無(wú)線電能傳輸在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用始終受到最大的關(guān)注。[11]但人體內(nèi)植入設(shè)備中，體積要求十分苛刻而且傳輸路徑需要經(jīng)過(guò)人體組織。因此提高微小尺寸線圈的品質(zhì)因數(shù)，提高傳輸效率[12]和研究高頻電磁場(chǎng)對(duì)人體組織的影響是目前的主要研究方向。現(xiàn)在，無(wú)線電能傳輸技術(shù)在經(jīng)皮植入裝置、心臟起搏器、消化道機(jī)器人等方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。通過(guò)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用，未來(lái)人體植入醫(yī)療設(shè)備將會(huì)有較大的發(fā)展，會(huì)大大改變?nèi)祟惖脑\斷和治療方式。
6.電動(dòng)汽車充電裝置
由于具有無(wú)接觸、無(wú)連接和無(wú)漏電的特性，無(wú)線電能充電裝置在電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為無(wú)線電能傳輸?shù)囊粋€(gè)熱門研究方向，而且正在逐步實(shí)用化。主要分為固定式和移動(dòng)式兩大方向。固定式在充電過(guò)程中車體保持不動(dòng)，其傳輸距離和傳輸功率已經(jīng)能夠滿足電動(dòng)汽車底盤高度、電動(dòng)汽車充電功率的要求。移動(dòng)式電動(dòng)汽車無(wú)線充電方式可以隨時(shí)向行進(jìn)中的電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量，因此可以減少相同運(yùn)行里程條件下電動(dòng)汽車所需的電池容量。目前，電動(dòng)汽車充電技術(shù)的主要研究方向是進(jìn)一步提高傳輸效率、距離和功率，并且針對(duì)偏移情況、雙向傳輸、控制方式等問(wèn)題展開研究。電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)將會(huì)推動(dòng)電動(dòng)汽車的實(shí)用進(jìn)程，無(wú)線充電技術(shù)的需求也將越來(lái)越大，市場(chǎng)前景更加廣闊。
三、結(jié)論
無(wú)線電能傳輸技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)愈加迅猛。未來(lái)的研究將更加深入和細(xì)致，并且進(jìn)一步向應(yīng)用方向推進(jìn)，實(shí)用化腳步愈發(fā)加快。隨著研究?jī)?nèi)容更加深入及人們對(duì)該技術(shù)的逐漸接受和認(rèn)可，未來(lái)其市場(chǎng)和應(yīng)用前景更加廣闊。
參考文獻(xiàn)：
[1]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science，2007，317（5834）：83-86.
[2]Kiani M，Ghovanloo M.The Circuit Theory Behind Coupled-Mode Magnetic Resonance-Based Wireless Power Transmission[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2012，59（9）：2065-2074.
[3]Zeljko Pantic and Srdjan putationally-Efficient，Generalized Expressions for the Proximity -Effect in Multi-Layer，Multi-Turn Tubular Coils for Wireless Power Transfer Systems[J].IEEE Transaction s on Magnetic，2013，49（11）：504-5416.
[4]Jaechun L，Sangwook N.Fundamental Aspects of near-Field Coupling Small Antennas for Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（11）：3442-3449.
[5]Dukju Ahn and Songcheol Hong，A Study on Magnetic Field Repeater in Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（1）：360-371.
[6]Lee C，Zhong W，Hui S.Effects of Magnetic Coupling of Non-Adjacent Resonators on Wireless Power Domino- Resonator Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（4）：1905-1916.
[7]Bernd Breitkreutz and Heino Henke，Calculation of Self-Resonant Spiral Coils for Wireless Power Transfer Systems With a Transmission Line Approach[J].IEEE Transactions on Magnetics，2013，49（9）：5035-5042.
[8]Bawa G，Ghovanloo M.Active High Power Conversion Efficiency Rectifier with Built-in Dual-Mode Back Telemetry in Standard Cmos Technology[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2（3）：184-192.
[9]Wang G，Liu W，Sivaprakasam M，et al.Design and Analysis of an Adaptive Transcutaneous Power Telemetry for Biomedical Implants[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2005，52（10）：2109-2117.
[10]S.Y.Hui，Planar Wireless Charging Technology for Portable Electronic Products and Qi[J].Proceedings of the IEEE，2013，101（6）：1290-1301.
1.1基本結(jié)構(gòu)
磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)大多都是兩線圈結(jié)構(gòu)和增加兩個(gè)線圈組成的四線圈結(jié)構(gòu)。整個(gè)能量傳輸系統(tǒng)分為能量發(fā)射端和能量接收端兩部分，其中能量的發(fā)射端包括發(fā)射能量線圈和高頻率的電源，能量接受端包括接收線圈和諧振電路板及負(fù)載電路。
1.2工作原理
磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的工作原理是導(dǎo)線纏繞制成的發(fā)射線圈（空芯電感）與諧振電容共同并列形成的諧振體。諧振體所容納的能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間或者自諧振頻率在一定空間的隨意振動(dòng)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的以線圈為原點(diǎn)，以空氣為傳輸媒介時(shí)更換磁場(chǎng)。能量的接收端是由接收線圈帶有一個(gè)單位電容組成的諧振體，在相同條件下的諧振頻率與能量發(fā)送端頻率相同，并能夠在所能感應(yīng)的磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間進(jìn)行自由的諧振，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振體共同的交換，在交換的同時(shí)諧振體之間也存在著相同頻率的震動(dòng)以及能量的交換，這就叫做兩個(gè)諧振體共同組成的耦合諧振系統(tǒng)。
2磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問(wèn)題
2.1傳輸水平
磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)是一種中距離傳輸電能的方式，很多研究者都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，對(duì)于技術(shù)傳輸水平的研究主要體現(xiàn)在傳輸效率和傳輸距離上，與系統(tǒng)共振的頻率有關(guān)。一般普通的諧振頻率都選用13.56MHz的頻率，需求比較高的系統(tǒng)采用比較高端的頻段。
2.2傳輸特征
磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中具有以下特征：一是頻率分裂和調(diào)頻技術(shù)，頻率分裂是指在整個(gè)系統(tǒng)線圈傳輸結(jié)構(gòu)中，隨著傳輸距離的減少，傳輸?shù)乃俾室矔?huì)出現(xiàn)不同的值域；二是在傳輸結(jié)構(gòu)中加入中繼諧振線圈和接收終端的線圈。在具體的設(shè)備中結(jié)合多個(gè)中繼諧振線圈和接收線圈的結(jié)構(gòu)中，對(duì)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，可以充分說(shuō)明系統(tǒng)不受弱導(dǎo)磁性物體的影響；三是磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)只有在一定的水平位置角度移動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn)較高速率的無(wú)線電能傳輸。
2.3新材料的應(yīng)用
無(wú)線電能傳輸最重要的就是實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)母咝省鬏數(shù)木嚯x長(zhǎng)、傳輸功率大，但是由于多方面原因的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)目標(biāo)。在磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中是利用附近外界的能量進(jìn)行傳送的，主要的耗損有歐姆損耗和輻射損耗。在這種情況下，提高速率，首先要減少歐姆損耗，利用超導(dǎo)材料可以實(shí)現(xiàn)這一目的。2.4干擾問(wèn)題無(wú)線電能傳輸線圈會(huì)受人們?nèi)粘Ｉ钣闷窋[放位置的影響。當(dāng)用品靠近線圈時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸諧振頻率的偏差。根據(jù)實(shí)踐證明，無(wú)線電能傳輸對(duì)干擾源的頻率非常敏感，離線圈越近，影響越大。
3磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)需要解決的問(wèn)題和發(fā)展的趨勢(shì)
磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)在發(fā)展中已經(jīng)取得了比較大的成果，但是在個(gè)別方面的研究還不夠深入。首先關(guān)于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)沒(méi)有形成一套完整的設(shè)計(jì)方法；其次，系統(tǒng)參數(shù)沒(méi)有進(jìn)行有效的分析以及校正；再次，對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用中與實(shí)際相關(guān)的內(nèi)容沒(méi)有進(jìn)行解決；最后這種技術(shù)需采用高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，但至今沒(méi)有在如何減少磁場(chǎng)危害上達(dá)到共識(shí)。
4總結(jié)
華麗登場(chǎng)
人造電能發(fā)現(xiàn)之初，就有人潛心研究無(wú)線傳輸電能的可能性，只不過(guò)當(dāng)時(shí)的方法和原理研究無(wú)法達(dá)到實(shí)用的階段。在無(wú)線電發(fā)展了100多年之后，這種無(wú)線傳輸電能的方式再次被關(guān)注。
2007年6月，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)電磁線圈實(shí)現(xiàn)了距離2米的60W電力的傳輸。他們采用了全新的思考方式，采用了兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)共振的銅線圈，依靠共振進(jìn)行能量的傳輸。這跟聲音的傳播原理類似，唯一的好處就是能量損失更小，而傳播的能量密度更高。
隨即，專門關(guān)注無(wú)線充電的組織―無(wú)線供電共同體（Wireless Power Consortium）成立，他們現(xiàn)在的目標(biāo)是通過(guò)120KHz的頻率，傳輸100W以上的能量。這個(gè)組織收羅了電源控制模塊的領(lǐng)軍廠商N(yùn)ational和TI，羅技、飛利浦、奧林巴斯以及三洋和飛利浦的ODM廠商深圳桑飛也可能成為其用戶。
從此，無(wú)線電能傳輸揭開了新篇章。
最先受到鼓舞的是手持設(shè)備廠商。他們想通過(guò)更多的功能吸引用戶，但是電池局限使得很多創(chuàng)意無(wú)法實(shí)現(xiàn)，或者實(shí)現(xiàn)成本過(guò)于高昂。受到無(wú)線傳輸電能的啟發(fā)，Palm開始了新理論的奪冠之旅―最新的Palm pre將成為首批支持無(wú)線充電的手機(jī)，籍此在創(chuàng)新層面上超過(guò)了蘋果。
在Palm的網(wǎng)站上，有關(guān)于這個(gè)創(chuàng)意有長(zhǎng)篇累牘的報(bào)道，這個(gè)特性會(huì)大大吸引那些對(duì)充電特別恐懼的用戶。擁有這個(gè)新功能，用戶只需要把設(shè)備放在特定的充電板上就可以了，而不需要專門的接口。
這是磁共振技術(shù)的新發(fā)展。與麻省理工學(xué)院研究的長(zhǎng)距離電能傳輸不同，這種研究專注短距離的無(wú)線電能傳輸，通過(guò)垂直的磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。這個(gè)技術(shù)能夠提供小功率場(chǎng)合，滿足不同小功率器件的充電需求。
作為最早研究無(wú)線充電的公司――Convenientpower，它推動(dòng)了這個(gè)技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)他們的介紹，這個(gè)座落在香港的公司能夠?yàn)閹缀跛械恼粕显O(shè)備提供無(wú)線充電解決方案。
如果面對(duì)超過(guò)50W的需求，這種技術(shù)有它的局限性。Fulton的技術(shù)更具有實(shí)用性，他們的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)智能的耦合搜尋，傳輸?shù)哪芰恳哺蟆Ｗ罡呖梢詡鬏?20V/1.4KW的能量，那就意味著吸塵器都可以不用電源線。Fluton也把它們的重心放在了家庭廚衛(wèi)需要大功率電器方面。
比如提供一個(gè)電源桌子，上面可以任意擺放多個(gè)設(shè)備，只要總功率不超過(guò)限制就行。這樣插座、線頭就要省去很多，操作的自由感覺也很好。在一個(gè)視頻里，演示的工作人員把榨汁機(jī)擺放在無(wú)線供電的桌面上，相當(dāng)有吸引力。
這樣，在無(wú)線供電共同體中，已經(jīng)涵蓋了小功率的方案和大功率的方案。
關(guān)鍵在模塊
我們可以省去煩人的各種充電器。只要一個(gè)合適的充電耦合板就行了。Wildcharge已經(jīng)在提供類似的產(chǎn)品，只不過(guò)產(chǎn)品非常昂貴，而且是針對(duì)某些特定的手機(jī)才有解決方案。目前，無(wú)線充電還沒(méi)有成為手機(jī)等手持設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配備，因而改造和定制生產(chǎn)的成本還相當(dāng)高昂。
Wildcharge的一個(gè)方案報(bào)價(jià)高達(dá)80美元。對(duì)于目前的手機(jī)價(jià)格，這雖然無(wú)法被輕松接受，因而無(wú)線充電暫時(shí)可能無(wú)法帶來(lái)市場(chǎng)方面的熱捧。但是，相信任何看了這個(gè)技術(shù)演示的用戶都會(huì)被深深吸引。
Wildcharge提供的技術(shù)類似于Convenientpower公司，屬于近距離的電源傳輸。雖然不需要手機(jī)與充電器有插座接觸，不過(guò)還需要放在特定的區(qū)域。但是與煩人的插座比起來(lái)，這已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步。
Wildcharge能夠提供15W電力，因而可以滿足多個(gè)手持設(shè)備的充電。現(xiàn)在唯一的問(wèn)題是如果沒(méi)有內(nèi)置的無(wú)線充電模塊，這種充電設(shè)備將無(wú)法發(fā)揮作用。
Palm Pre采用的充電模塊與之類似。它同樣提供一個(gè)充電塢，不同之處在于充電器本身與手機(jī)是不需要有金屬接觸的，放置的方式也可以隨心所欲，只要滿足兩者的無(wú)線電能傳輸即可。
這也就意味著在未來(lái)的家庭和會(huì)議室里，隨處充電將成為可能。
無(wú)線充電模塊是改變這一切的關(guān)鍵。只要一個(gè)大一點(diǎn)的充電模塊就能解決所有問(wèn)題，而不需要攜帶過(guò)多的設(shè)備。
這種方式對(duì)于軍用和醫(yī)療同樣有用。現(xiàn)在軍人承擔(dān)了戰(zhàn)爭(zhēng)信息終端的功能，他們背負(fù)的東西越來(lái)越多，電池消耗同樣巨大，其中有各種連線。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的報(bào)告，他們的士兵如果執(zhí)行4天的任務(wù)，背負(fù)的電池將達(dá)到20公斤，而且過(guò)多的連線將大幅度降低可靠性。
移動(dòng)醫(yī)療照明如果省略了長(zhǎng)長(zhǎng)的連線也將大幅度降低很多操作的復(fù)雜度。因而，無(wú)線電能的傳輸，從IT技術(shù)中成長(zhǎng)，也將必然惠及多個(gè)領(lǐng)域。
從制造和設(shè)計(jì)的角度，我們將節(jié)省更多材料，這也是相當(dāng)環(huán)保的主意。以現(xiàn)在40億部手機(jī)的保有量來(lái)看，未來(lái)一個(gè)手機(jī)一個(gè)充電器的模式將被拋棄。筆記本電腦也是如此，如果在所有的桌面上提供類似的充電方便，手持設(shè)備受到電池左右的歷史將被重寫。
因而，無(wú)線電能傳輸將節(jié)省很多材料，并且擁有巨大的靈活性，多個(gè)設(shè)備可以共享一個(gè)充電設(shè)備而不需要進(jìn)行多次的變換。如果大功率的版本可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，家庭里的很多設(shè)備幾乎不需要再有插座之爭(zhēng)了。
各種標(biāo)準(zhǔn)的插座也將成為歷史。因而，無(wú)線“電”是相當(dāng)值得期待的。
丟掉插座
新的磁共振方式解決了一個(gè)大難題，無(wú)線傳輸?shù)膿p失幾乎降低到了可以忽略的地步。Fulton的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)98%的能量傳輸，比通過(guò)連線的方式效果還要好。
因而，在我們的未來(lái)生活里，手持設(shè)備全面換用無(wú)線充電毫無(wú)疑問(wèn)。在我們的未來(lái)家裝中需要考慮的不是插座的位置，而是電源板的位置。如果Fulton真的能夠把1.4KW的功率實(shí)現(xiàn)傳輸，那么，多數(shù)設(shè)備的插頭都可以取消。
每個(gè)桌面都可以成為電源板，放在電源板上就可以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。對(duì)于筆記本電腦和投影機(jī)等設(shè)備尤其有用，那些有充電煩惱的用戶，將手機(jī)放在桌面上就可以實(shí)現(xiàn)充電，而不必為忘了充電煩惱。
這個(gè)模式可以從手持設(shè)備中蔓延。電視、電腦甚至地板，都可以構(gòu)成類似的區(qū)域，只要在地板上行走，帶有線圈和發(fā)熱模塊的鞋子就能產(chǎn)生熱能，從而實(shí)現(xiàn)更有效率的加熱。甚至在衣服上構(gòu)筑空調(diào)系統(tǒng)也不是不可能。
現(xiàn)在，各種充電設(shè)備無(wú)法統(tǒng)一，都各有標(biāo)準(zhǔn)，根源在于接口和金屬鏈接的限制使得設(shè)備無(wú)法統(tǒng)一。比如，在理論上，筆記本電腦的電源也可以為手機(jī)充電，接口的不統(tǒng)一限制了這種可能性。
特斯拉構(gòu)想
100年前，交流電的發(fā)明者美國(guó)人尼古拉?特斯拉從閃電中獲得靈感，設(shè)計(jì)了“特斯拉線圈”，這是一種分布參數(shù)高頻共振變壓器，可以輕松獲得上百萬(wàn)伏的高頻電壓。游戲《紅色警戒》系列里面的電磁塔（特斯拉塔）就是根據(jù)特斯拉線圈設(shè)計(jì)的。
后來(lái)，特斯拉發(fā)明了所謂的“放大發(fā)射機(jī)”，現(xiàn)在稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無(wú)線輸電試驗(yàn)。特斯拉的無(wú)線輸電技術(shù)神乎其技。特斯拉把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，地球電離層作為外導(dǎo)體，通過(guò)他的放大發(fā)射機(jī)，使用這種放大發(fā)射機(jī)特有的徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)傳輸能量。這一系統(tǒng)與現(xiàn)代無(wú)線電廣播的能量發(fā)射機(jī)制不同，而與交流電力網(wǎng)中的交流發(fā)電機(jī)與輸電線的關(guān)系類似，當(dāng)沒(méi)有電力接收端的時(shí)候，發(fā)射機(jī)只與天地諧振腔交換無(wú)功能量，整個(gè)系統(tǒng)只有很少的有功損耗，而如果是一般的無(wú)線電廣播，發(fā)射的能量則全部在空間中損耗掉了。
無(wú)線充電的發(fā)展
在石油資源日漸枯竭的今天，無(wú)線電能傳輸對(duì)于新能源的開發(fā)和利用、解決未來(lái)能源短缺問(wèn)題有著重要的意義，因此許多國(guó)家都沒(méi)有放棄這方面的研究。1968年，美國(guó)工程師Peter Glaser提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽(yáng)能發(fā)電基地，通過(guò)微波將電能傳輸回地球，并通過(guò)整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能（如圖）。1979年，美國(guó)航空航天局NASA和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃――建立太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬(wàn)千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。
香港城市大學(xué)的許樹源教授早在幾年前就曾經(jīng)成功研制出一種無(wú)線電池充電平臺(tái)，可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上，透過(guò)低頻電磁場(chǎng)充電，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無(wú)異，技術(shù)實(shí)現(xiàn)也不深?yuàn)W。這種無(wú)線電池充電平臺(tái)利用的就是變壓器原理――變化的磁場(chǎng)中閉合的金屬線圈會(huì)產(chǎn)生電流。而英國(guó)SplashPower公司2005年初上市的無(wú)線充電器Splash pads，就是變壓器原理商業(yè)化的無(wú)線充電產(chǎn)品。
在2011年日本最大的無(wú)線通訊展（Wireless Japan 2011）上，研究人員展示了一款二維通訊設(shè)備。當(dāng)用戶將電子設(shè)備放在平板上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在設(shè)備所放位置的特定領(lǐng)域聚集電磁波，而不是在整塊平板上均衡地發(fā)散。如此一來(lái)，只有設(shè)備放置處的導(dǎo)電膜片（conductive sheet）才會(huì)收到電磁波。這種方法不僅可以集中傳輸電力，還能提高節(jié)能效率，這樣絕大部分的能源就被節(jié)省下來(lái)了。
無(wú)線電能傳輸有電磁感應(yīng)、電磁共振和微波三種基本方式，這三種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。其中電磁感應(yīng)是將線圈中的電流直接以電磁波形式進(jìn)行1cm以下的近距離收發(fā)，收發(fā)設(shè)備需要有較高的識(shí)別能力，由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失，因此效率較低，通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產(chǎn)品。電磁共振方式是利用電磁波通過(guò)線圈產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)共振實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定了它的傳輸距離和效率，它可以實(shí)現(xiàn)10m左右距離的室內(nèi)供電。微波方式是將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠(yuǎn)程的接收設(shè)備，然后通過(guò)整流、調(diào)制等處理后使用。幾種技術(shù)各有特點(diǎn)，近來(lái)電磁感應(yīng)和電磁共振技術(shù)取得了突破，更適合日常應(yīng)用。
無(wú)線充電的未來(lái)
由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流，兩個(gè)設(shè)備中分別使用了一個(gè)具備振蕩電路特性的線圈組成一對(duì)收發(fā)天線，讓其中一個(gè)天線發(fā)送能量，另一個(gè)天線則接收能量。當(dāng)向其中的發(fā)送線圈加載數(shù)兆赫茲的交流電場(chǎng)之后，其天線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸。英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室就試制出了這樣的磁場(chǎng)耦合共振電力收發(fā)器，可以在2米距離內(nèi)無(wú)線給60W燈泡提供電力。英特爾首席技術(shù)官Justin Rattner表示，未來(lái)可以將無(wú)線充電裝置安裝在辦公桌內(nèi)部，只要將筆記本、手機(jī)等放在桌上就能夠立即供電。筆者認(rèn)為這才是無(wú)線充電技術(shù)的未來(lái)。
無(wú)論是電磁感應(yīng)，還是電磁共振技術(shù)，效率都和產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈大小有關(guān)。如果要將它內(nèi)置到充電裝置和筆記本、手機(jī)等便攜設(shè)備中，就必須精簡(jiǎn)線圈尺寸，發(fā)送和接收效率自然也會(huì)隨之下降，因此需要更先進(jìn)的控制芯片以及收發(fā)電路設(shè)計(jì)使無(wú)線電能的傳輸效率提升到75%以上，從而讓無(wú)線供電的效率更高，充電時(shí)間更短。
不過(guò)距離也是無(wú)線電力傳輸?shù)囊淮笳系K，距離越遠(yuǎn)損耗越大，接收端能感應(yīng)到的電能也就越少。然而在通常情況下，當(dāng)接收端天線的固有頻率與發(fā)射端的磁場(chǎng)頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，無(wú)線電力的傳輸效率大幅度提高。不過(guò)，這種電磁場(chǎng)的頻率可能對(duì)設(shè)備內(nèi)部的其他部件造成干擾。
在未來(lái)，我們可以將無(wú)線充電裝置放在辦公室、旅館和機(jī)場(chǎng)的頂部，只要身處發(fā)射共振有效工作距離之內(nèi)，就能立即為筆記本、手機(jī)無(wú)線充電，就像現(xiàn)在已經(jīng)十分普及的WiFi無(wú)線上網(wǎng)一樣簡(jiǎn)單。人們不再需要隨身攜帶充電器，不再為各種不匹配的接口而發(fā)愁，也不必為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間而使用笨重的電池了。也可以在自家的墻上安裝一個(gè)電力發(fā)射器，這樣所有的家用電器也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。
日本成功實(shí)驗(yàn)無(wú)線輸電，點(diǎn)亮500米外LED燈之前，我國(guó)天津工業(yè)大學(xué)一支研究團(tuán)隊(duì)就在高鐵列車無(wú)線供電方面取得重要進(jìn)展，解決了長(zhǎng)期制約高鐵列車安全的技術(shù)難題，而且這項(xiàng)成果是入選2014中國(guó)科協(xié)夏季科學(xué)展的17項(xiàng)前沿科技成果之一。
如果說(shuō)無(wú)線輸電技術(shù)還屬科技前沿，但無(wú)線充電技術(shù)已來(lái)到我們身邊。手機(jī)、平板電腦、相機(jī)、筆記本……這些移動(dòng)電子產(chǎn)品改變了我們的生活和娛樂(lè)方式。但這些移動(dòng)電子設(shè)備都離不開電，走到哪兒都要充電。而伴隨著無(wú)線充電技術(shù)走進(jìn)人們視野，充電的煩惱也即將一掃而光。
誰(shuí)都知道，手機(jī)是最先引入無(wú)線充電技術(shù)的電子設(shè)備。華南理工大學(xué)電力學(xué)院副院長(zhǎng)張波告訴記者，現(xiàn)在已涌現(xiàn)出許多手機(jī)無(wú)線充電板，但在使用中還存在充電距離、效率以及充電設(shè)備體積問(wèn)題。“但隨著人們對(duì)無(wú)線技術(shù)的認(rèn)識(shí)和輸電水平的提高，在手機(jī)無(wú)線充電領(lǐng)域取得大的突破甚至產(chǎn)業(yè)化前景樂(lè)觀。”
據(jù)了解，目前手機(jī)無(wú)線充電板多采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行電能傳輸，這種方式傳輸距離較短，給人“無(wú)線”印象還不太明顯。
“手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)已開始應(yīng)用，將來(lái)還會(huì)有更新突破與進(jìn)展。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院副院長(zhǎng)、智能測(cè)試及信息處理技術(shù)研究所所長(zhǎng)朱春波透露，哈工大研究團(tuán)隊(duì)正在攻克較遠(yuǎn)距離的手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)。
事實(shí)上，手機(jī)無(wú)線充電只是作為應(yīng)用于諸多小功率電子設(shè)備的代表，無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用其實(shí)正延伸到更大功率的電氣設(shè)備上，如海爾即將上市的無(wú)線供電無(wú)尾電視和無(wú)尾廚電。
與手機(jī)和無(wú)尾電視相比，人們對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電想象更加動(dòng)人。
“電動(dòng)車本身還沒(méi)得到普及，電動(dòng)汽車的無(wú)線充電更無(wú)從談起，但技術(shù)上還是越來(lái)越近了。”朱春波告訴記者，電動(dòng)汽車有多種能量補(bǔ)充形式，但對(duì)比傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電，無(wú)線充電在安全性和接口標(biāo)準(zhǔn)化方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)可能會(huì)促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及。
美國(guó)新聞紀(jì)錄片《誰(shuí)殺死了EV1》中的EV1是美國(guó)加州一款新型電動(dòng)汽車，受到地方政府和老百姓的喜愛，但在電影結(jié)尾中這款產(chǎn)品被扼殺，原來(lái)通用公司的大股東們都是石油巨頭，電動(dòng)汽車的發(fā)展影響到他們的利益，正是他們殺死了深受百姓喜愛的EV1。在這部紀(jì)錄片中，EV1最早用到了非接觸充電技術(shù)，憑感應(yīng)式充電器，充電時(shí)避免了人身傷害危險(xiǎn)，非常安全。
2012 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)首次提出“駕駛充電”概念，為電動(dòng)汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動(dòng)汽車可不必停下來(lái)充電而無(wú)限地跑下去。
設(shè)想一下，如果有一天，人們邊開車邊充電（需在道路設(shè)置無(wú)線充電裝置）、停進(jìn)車庫(kù)按下按鈕也可以充電。屆時(shí)，這種動(dòng)態(tài)充電與靜態(tài)充電結(jié)合的電動(dòng)汽車，將變成不折不扣的“傻瓜”車。
而在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)線充電技術(shù)早已嶄露頭角。在水下（海底）移動(dòng)裝備的非接觸電源接入、生物醫(yī)電、旋轉(zhuǎn)式設(shè)備、無(wú)線傳感器等方面，無(wú)線輸電技術(shù)正發(fā)揮著重要作用。
“目前，微小功率的無(wú)線輸電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用已取得可喜進(jìn)步，研以致用，以用促研。可以預(yù)計(jì)，再用10到15年時(shí)間，無(wú)線輸電技術(shù)必將得到大面積推廣應(yīng)用。”重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院黨委書記、電力電子與控制工程研究所所長(zhǎng)孫躍對(duì)無(wú)線輸電技術(shù)充滿信心。
無(wú)線輸電的前世今生
盡管無(wú)線輸電技術(shù)在今天看來(lái)屬于前沿新興科技，但早在一百多年前，“無(wú)線輸電之父”尼古拉?特斯拉就對(duì)無(wú)線輸電展開探索。
19 世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來(lái)電力時(shí)代的天才”的尼古拉?特斯拉，曾致力于研究無(wú)線傳輸信號(hào)及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在紐約長(zhǎng)島建造了無(wú)線電能發(fā)射塔，設(shè)想利用地球本身和大氣電離層為導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率長(zhǎng)距離無(wú)線電能傳輸，可惜由于資金缺乏，這個(gè)塔最終并未建成。
2007年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林?索爾賈希克研究小組宣布，利用電磁共振技術(shù)成功點(diǎn)亮了一個(gè)距離電源約2 米遠(yuǎn)的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達(dá)到40%。該項(xiàng)技術(shù)的引起世界范圍內(nèi)磁諧振無(wú)線輸電裝置的研發(fā)熱潮，德國(guó)、日本、新西蘭等國(guó)家很快跟進(jìn)了這方面的研究。
麻省理工學(xué)院的研究成果陸續(xù)發(fā)表后，國(guó)內(nèi)還鮮有人知道磁諧振無(wú)線輸電技術(shù)，因索爾賈希克的文章是從物理學(xué)角度闡述的，這對(duì)國(guó)內(nèi)電工學(xué)研究者來(lái)說(shuō)并不容易理解。
2008年，張波和他的學(xué)生對(duì)磁諧振無(wú)線輸電用電工學(xué)的方法做了原理性解析，并做出實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，文章發(fā)表在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》上，成為后來(lái)國(guó)內(nèi)無(wú)線輸電技術(shù)研究者的必讀文章。
彼時(shí)，朱春波正在哈工大開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的研究，他發(fā)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展瓶頸技術(shù)之一就是供電技術(shù)。比如埋在路面或建筑物里的無(wú)線傳感器，電池電量耗盡就宣告無(wú)線傳感器的“壽終正寢”。受到索爾賈希克的啟發(fā)，朱春波帶領(lǐng)學(xué)生闖進(jìn)無(wú)線供電這一陌生領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)研究無(wú)線輸電的一支重要力量。2010年圣誕節(jié)前，他的學(xué)生運(yùn)用磁諧振技術(shù)把1.5米高的圣誕樹上的二極管彩燈點(diǎn)亮，還申請(qǐng)了專利。朱春波告訴記者，時(shí)至今日，盡管對(duì)無(wú)線輸電領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，但人們已表現(xiàn)出越來(lái)越多的興趣，對(duì)未來(lái)擺脫充電插頭充滿期待。
“一直以來(lái)，人們總是在不斷尋求無(wú)線輸電實(shí)用技術(shù)方案，并著力推進(jìn)無(wú)線輸電技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。”孫躍說(shuō)，就目前技術(shù)成熟情況來(lái)看，無(wú)線輸電技術(shù)主要還是解決移動(dòng)電氣設(shè)備的電能非接觸接入問(wèn)題，為人們更加便利和安全使用移動(dòng)電氣設(shè)備提供有效解決方案。
無(wú)線輸電仍需技術(shù)突破
孫躍指出，盡管國(guó)內(nèi)外在基于電磁感應(yīng)耦合模式無(wú)線電能傳輸技術(shù)方面的發(fā)展及應(yīng)用推廣迅速，但目前在功率容量、傳輸效率、傳輸距離及電磁兼容等方面仍待進(jìn)一步突破。
張波則認(rèn)為，目前電磁感應(yīng)、磁諧振等磁場(chǎng)輸電技術(shù)相對(duì)成熟，但受限于周圍環(huán)境影響等因素，傳遞效率和功率均無(wú)法滿足人們?nèi)粘Ｐ枰@可能意味著人們還未探索到磁場(chǎng)輸電的“終極理論”。
“自然界都有它自己的規(guī)律，磁場(chǎng)傳輸能量肯定是有其路徑，只是我們還沒(méi)找到這個(gè)規(guī)律，這需要學(xué)術(shù)界下大力氣去探索。”張波對(duì)記者說(shuō)，這可能需要信息、控制、電子電力、材料甚至數(shù)學(xué)物理等學(xué)科交叉研究攻關(guān)，一旦探索到磁場(chǎng)傳輸電能的法門，其意義不亞于光纖的發(fā)明。
【關(guān)鍵詞】效率自校準(zhǔn) 無(wú)線充電 磁共振 零電壓開關(guān)
隨著當(dāng)今科技的高速發(fā)展，對(duì)于電能的需求呈現(xiàn)出幾何級(jí)數(shù)形式的爆炸性增長(zhǎng)。當(dāng)下每個(gè)人的工作與日常生活都與電能使用緊密相關(guān)，但各種移動(dòng)電子設(shè)備對(duì)于充電裝置的不同要求，以及各個(gè)國(guó)家的電網(wǎng)電壓具有不同量化標(biāo)準(zhǔn)的矛盾，令傳統(tǒng)的有線充電方式極大地制約了移動(dòng)設(shè)備充電在便攜性和方便性上的發(fā)展，使之無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)人們不受地點(diǎn)約束，快捷高效地為移動(dòng)設(shè)備充電的要求。因此無(wú)線充電技術(shù)的運(yùn)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。
目前無(wú)線充電技術(shù)主要有三種類型：感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)、磁共振式電能傳輸技術(shù)以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)。其中感應(yīng)耦合技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是傳輸距離過(guò)短，同時(shí)線圈的橫向位移以及頻率變化對(duì)于傳輸效率的影響過(guò)大。遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)借助激光束傳輸電能，目前該技術(shù)的研究仍處于理論探究階段，難以實(shí)現(xiàn)。而磁共振式無(wú)線充電技術(shù)是中等距離的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，在固定坐標(biāo)下能量損耗小，并且傳輸穩(wěn)定、電磁輻射對(duì)人體影響極小，但是線圈在與之垂直的圓面上發(fā)生角位移時(shí)，也會(huì)對(duì)傳輸效率產(chǎn)生較大影響。因此磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)中采取針對(duì)線圈姿態(tài)的調(diào)整來(lái)校準(zhǔn)效率的環(huán)節(jié)變得尤為重要。
1 磁共振式無(wú)線充電理論模型的分析
諧振是一種自然界中十分普遍的現(xiàn)象，并且具有眾多形式。而在電路理論中，以LC并聯(lián)諧振電路和LC串聯(lián)諧振電路為例，其本質(zhì)上都屬于在電場(chǎng)中發(fā)生的強(qiáng)烈共振現(xiàn)象。
而在磁共振無(wú)線充電技術(shù)中，導(dǎo)線繞制的線圈等效為電感，與電容相連構(gòu)成諧振體，該諧振體所具有的能量可以在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率自由振蕩，同時(shí)產(chǎn)生了以線圈為中心、空氣為媒介的時(shí)變磁場(chǎng)；另一方面，與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的另一諧振體則會(huì)感應(yīng)磁場(chǎng)，所感應(yīng)的磁場(chǎng)能同樣在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率自由振蕩，使得兩個(gè)諧振體之間不斷地有磁場(chǎng)能交換，進(jìn)而產(chǎn)生以兩個(gè)線圈為中心、以空氣為媒介的時(shí)變磁場(chǎng)。兩諧振體內(nèi)的電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能振蕩交換的同時(shí)，伴隨著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。
當(dāng)發(fā)射線圈、接收線圈采用并聯(lián)諧振耦合電路時(shí)，此時(shí)的系統(tǒng)傳輸效率可以用式（1）表示：
式（1）中，Us為發(fā)射線圈所接電源電壓，ω為頻率，Z1，Z2為發(fā)射端、接收端的等效阻抗，RL為接收端所接負(fù)載的電阻大小，而發(fā)射線圈與接收線圈的互感M可近似由式（2）表示。
上式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，N為所用線圈匝數(shù)，γ為所用線圈半徑，d為發(fā)射線圈與接收線圈之間的空間距離。
由式（1）以及（2）可以看出，在線圈繞制的參數(shù)和諧振體中的電容選擇完成之后，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率只與頻率與線圈之間的空間距離有關(guān)。而在當(dāng)發(fā)射回路和接收回路都處于諧振狀態(tài)時(shí)，并且發(fā)射線圈與接收線圈位置固定時(shí)，最優(yōu)的系統(tǒng)傳輸效率大小主要取決于發(fā)射線圈與接收線圈的平面關(guān)系，如圖1所示。
2 效率自校準(zhǔn)的磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
效率自校準(zhǔn)的磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。本套系統(tǒng)主要一方面以磁共振方式進(jìn)行無(wú)線電能傳輸，整體電路通過(guò)采用ZVS零電壓開關(guān)技術(shù)和直流-交流-直流的變換，克服常規(guī)磁共振產(chǎn)生方法損耗大，電路元件多，控制驅(qū)動(dòng)復(fù)雜等不足，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線高效傳輸。另一方面則通過(guò)陀螺儀采集到的姿態(tài)信息進(jìn)行判斷，借助伺服電機(jī)對(duì)發(fā)射端進(jìn)行功率和姿態(tài)調(diào)整，達(dá)到電能傳輸?shù)淖畲笮省?/p>
效率自校準(zhǔn)的磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)由主電路和控制電路構(gòu)成。
在主電路部分，可以劃分為發(fā)射電路和接收電路。發(fā)射電路主要采用ZVS零電壓開關(guān)電路，具體電路如圖3。在整個(gè)過(guò)程中利用電感電容的并聯(lián)振蕩（LC并聯(lián)諧振）令上管Q1和下管Q2輪番實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，并且同時(shí)反過(guò)來(lái)利用MOS管的通斷對(duì)LC振蕩補(bǔ)充能量。通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩電容和發(fā)射線圈的電容，控制起振的頻率，這樣既減小了MOS管的開關(guān)損耗，又調(diào)高了諧振頻率，增大傳輸效率。同時(shí)由于采用自激振蕩，不再使用外部的信號(hào)來(lái)控制MOS管的關(guān)斷，就避免了MOS管驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路，而且不再受外部信號(hào)頻率的影響，只需保證f發(fā)射LC=f接收LC 即可，振蕩頻率的調(diào)節(jié)變得簡(jiǎn)單。
在接收電路中，對(duì)比于發(fā)射電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為直接，采用接收線圈與電容并聯(lián)諧振，接收由發(fā)射電路傳輸過(guò)來(lái)的能量。然后經(jīng)過(guò)半波整流，進(jìn)一步減小整流二極管的損耗，同時(shí)采用兩個(gè)二極管并聯(lián)的方式，降低二極管的導(dǎo)通電阻，從而提高接收電路的輸出效率。
在控制電路中，采用以32位的高時(shí)鐘頻率的主控芯片進(jìn)行控制。控制流程圖如圖4所示，先令接收線圈沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，同時(shí)刻采集接收回路的輸出效率與接收線圈上所安裝的姿態(tài)傳感器的角度值，在進(jìn)行卡爾曼濾波以消除機(jī)械抖動(dòng)帶來(lái)的角度誤差之后，將同時(shí)刻的輸出效率與角度值一一對(duì)應(yīng)，制成列表；用快速排序算法處理表內(nèi)數(shù)據(jù)，找出效率出現(xiàn)最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的角度值；將角度值輸出給PID控制器，以便快速地調(diào)整發(fā)射線圈上所安裝的伺服電機(jī)帶動(dòng)發(fā)射線圈轉(zhuǎn)動(dòng)至期望角度。伺服電機(jī)動(dòng)作之前的一系列步驟為自校準(zhǔn)過(guò)程。
3 實(shí)驗(yàn)與分析
設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)50W的小型效率自校準(zhǔn)的磁共振式無(wú)線充電裝置，如圖5所示。發(fā)射線圈與接收線圈均為4匝，半徑為0.24m（線圈的繞制采用外徑6mm，厚度1.5mm紫銅管材料，感值為12微亨），諧振補(bǔ)償電容為235皮法。該系統(tǒng)中控制部分采用了MPU6050型號(hào)的陀螺儀和PDI-6221MG伺服電機(jī)。發(fā)射端與接收端之間距離，接收線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為實(shí)驗(yàn)的自變量，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率為實(shí)驗(yàn)的因變量。
表1為未加入效率自校準(zhǔn)控制時(shí)，發(fā)射端與接收端之間距離為d=10cm、15cm、20cm情況下，發(fā)射線圈豎直放置，而接收線圈分別順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)下的接收電路的傳輸效率。
由表1可以看出，在發(fā)射端與接收端固定距離的情況下，接收線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)改變了發(fā)射線圈與接收線圈的平面關(guān)系，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率，而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)在固定距離下，當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈保持平行狀態(tài)時(shí)，傳輸效率達(dá)到了最大，這也正是控制電路所期望的目標(biāo)。
在增加了效率自校準(zhǔn)控制之后，與之前的實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行對(duì)接收線圈的旋轉(zhuǎn)，最終得出圖6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即無(wú)線充電裝置的傳輸效率長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定的保持在最大值上。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)磁共振式無(wú)線電路傳輸與零電壓開關(guān)電路傳輸原理及模型分析，設(shè)計(jì)了無(wú)線充電系統(tǒng)，并給出了能實(shí)現(xiàn)效率自校準(zhǔn)的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行配合控制，當(dāng)合理得選擇系統(tǒng)所需參數(shù)時(shí)，電能傳輸效果良好。由實(shí)驗(yàn)可見，所設(shè)計(jì)的基于效率自校準(zhǔn)的磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有一定實(shí)際使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]楊成英，陳勇.中程距離無(wú)線輸電的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2009（03）：410-411.
[2]楊慶新，陳海燕，徐桂芝等.無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（07）：6-13.
[3]迎九.無(wú)線充電的安全、成本、效率和方便性在提升[J].電子產(chǎn)品世界，2015（06）：24-25.
[4]劉長(zhǎng)軍.射頻通信電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.
[5]盧偉國(guó).近場(chǎng)磁諧振驅(qū)動(dòng)LED照明系統(tǒng)的基本問(wèn)題研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.15-20.
[6]方楚良，沈錦飛.電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)研究[J].通信電源技術(shù)，2015（02）：29-31.
[7]楊西同.非輻射共振耦合無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].浙江：浙江大學(xué)出版社，2014：4-5.
【關(guān)鍵詞】RS485接口電能表；無(wú)線電子表；載波電子表
1.引言
隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電力商業(yè)化運(yùn)行的需要，傳統(tǒng)的手工抄表，費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性，直接影響營(yíng)銷及相關(guān)部門進(jìn)行更深層次的分析，電力企業(yè)對(duì)電能表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄讀和計(jì)量管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用日益重視。電能表數(shù)據(jù)自動(dòng)抄讀的及時(shí)性和正確性直接影響到電力企業(yè)的工作成本和計(jì)費(fèi)效率，因此隨著科技的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電能表數(shù)據(jù)抄讀技術(shù)被開發(fā)并投入使用。要配合的相應(yīng)自動(dòng)抄讀技術(shù)的使用，首先就需要電能表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方面的相應(yīng)發(fā)展。為配合多元化抄讀技術(shù)的試驗(yàn)和實(shí)施，計(jì)量部在2009年檢定的單相電子式電能表就有RS-485接口單相電子式電能表、單相載波電子式電能表和單相無(wú)線電子式電能表。
2.三種單相電子式電能表的抄表方式
電能表的抄讀技術(shù)大致可以分為本地抄表技術(shù)和遠(yuǎn)程抄表技術(shù)兩大類，這兩種抄表方式并不完全分立，在一個(gè)電力管理系統(tǒng)中是可以同時(shí)存在。就計(jì)量部2009年檢驗(yàn)的三種單相電子式電能表而言，基本上都可以實(shí)現(xiàn)本地抄表和遠(yuǎn)程抄表，在實(shí)際工作中這兩種方式各有側(cè)重，互為補(bǔ)充。
2.1 RS485接口單相電子式電能表抄表方式
廣州地區(qū)從2006年開始安裝RS485接口單相電子式電能表，至2009年底已完成了將近九十萬(wàn)只電能表的檢定和配送工作，數(shù)十萬(wàn)只電能表已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，是廣州地區(qū)應(yīng)用最為廣泛的單相電子式電能表，下文將從本地抄表和遠(yuǎn)程抄表兩個(gè)方面進(jìn)行分析。
2.1.1 本地抄表方式
RS485接口單相電子式電能表本地通信抄表技術(shù)，是利用RS485總線將小范圍的電表連接成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)紅外或RS485設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抄表。RS485技術(shù)是傳統(tǒng)的總線式聯(lián)網(wǎng)方案，該技術(shù)在多功能電能表和關(guān)口電能表中有較為廣泛的使用。其RS485抄表構(gòu)成技術(shù)示意圖如圖1。
由采集器通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能表進(jìn)行電量抄讀，并保存在采集其中，再由抄表器定期抄讀采集器內(nèi)數(shù)據(jù)，抄表器與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電量的最終抄讀。RS485抄表技術(shù)可以很容易和其他抄表手段相結(jié)合，能更有效的實(shí)現(xiàn)集中抄表目的。
2.1.2 RS485總線式遠(yuǎn)方抄表系統(tǒng)
RS485總線式遠(yuǎn)方抄表系統(tǒng)采用RS485網(wǎng)絡(luò)通信方式，相關(guān)技術(shù)在我國(guó)電力行業(yè)中有一定程度的使用。其系統(tǒng)構(gòu)架框圖舉例如圖2所示。
抄表集中器通過(guò)RS485采集帶RS485接口的電能表電量，抄表集中器可通過(guò)RS485專線傳送給中繼器，由中繼器通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將有關(guān)數(shù)據(jù)傳給中心計(jì)算機(jī)。總線式抄表系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)通道穩(wěn)定，傳輸速率快，不受外界溫度等環(huán)境變量或負(fù)載變化的干擾，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控電能表使用狀態(tài)，可遠(yuǎn)程人工點(diǎn)擊軟件按鈕拉閘斷電和合閘送電，方便電路檢修。
2.2 單相載波電子式電能表抄表方式
電力載波通信是一個(gè)很早就已經(jīng)提出并且已經(jīng)應(yīng)用的技術(shù)，最大的優(yōu)勢(shì)就是可以利用電力線網(wǎng)絡(luò)作為一種傳輸介質(zhì)，抄表系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，成本低廉，如果技術(shù)成熟，將是電力抄表系統(tǒng)的最佳通信資源。單相載波電子式表是應(yīng)用電力線載波通訊技術(shù)與電子電能計(jì)量技術(shù)研制的低壓電力線載波自動(dòng)抄表電能表，其與電力線載波抄表集中器和中繼器及管理主站一同組成低壓電力線載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)，完成計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸和通斷電控制功能。
載波抄表是通過(guò)中心計(jì)算機(jī)把信號(hào)發(fā)送到抄表集中器后，其通過(guò)電力線將信號(hào)發(fā)送到載波芯片，載波芯片動(dòng)作后將數(shù)據(jù)通過(guò)電力線返回到抄表集中器存儲(chǔ)，中心計(jì)算機(jī)再?gòu)某砑衅髯x取數(shù)據(jù)，如圖3。
但由于載波式遠(yuǎn)方抄表有線路阻抗無(wú)法匹配、線路衰減大、時(shí)變性和區(qū)域性大等問(wèn)題，在實(shí)際使用中采用了過(guò)零點(diǎn)點(diǎn)至技術(shù)和直序擴(kuò)頻通信技術(shù)等方法，為實(shí)現(xiàn)在低壓電力線上可靠傳輸數(shù)據(jù)而改進(jìn)。低壓載波抄表技術(shù)及產(chǎn)品自90年代中期進(jìn)入我國(guó)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展部分產(chǎn)品水平已達(dá)到實(shí)用要求，也已經(jīng)部分地區(qū)居民用戶集抄中占有一定比例。
2.3 單相無(wú)線電子式電能表抄表方式
無(wú)線通信技術(shù)是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)抄收手段，該技術(shù)在多功能能電能表和關(guān)口電能表中有一定程度的使用，近年來(lái)因居民單相表計(jì)數(shù)量上的增加和對(duì)抄表及時(shí)性的要求，廣州地區(qū)也開始引進(jìn)單相無(wú)線電子式電能表，該表可利用無(wú)線通訊技術(shù)與微機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，具有計(jì)量準(zhǔn)確、通信可靠、抄表方便，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。其工作技術(shù)構(gòu)成如圖4。
無(wú)線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的麻煩，利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。可以很容易地和其他抄表手段相結(jié)合，能更有效的實(shí)現(xiàn)抄表目的。同時(shí)也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信手段的改造，較為容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。
3.三種單相電子式電能表的檢定情況
3.1 RS485接口單相電子式電能表檢定情況
廣州城區(qū)自從2006年開始引入RS485接口單相電子式電能表，截止2009年底共對(duì)近九十萬(wàn)只該類型電能表進(jìn)行首檢工作，涉及的電能表生產(chǎn)廠家從原來(lái)的一家發(fā)展到2009年的六家，而歷年的首檢合格率如圖5所示，合格率都穩(wěn)定地保持在99.94%-99.95%，表示各廠家的RS485接口單相電子式電能表的生產(chǎn)工藝相對(duì)已經(jīng)較為成熟，產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都較為穩(wěn)定。
通過(guò)對(duì)在首檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的505只故障電能表分析，并對(duì)其故障原因進(jìn)行整理得下圖6。
由上圖可以看出電能測(cè)量基本誤差不合格占電能表故障原因的一半，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)造成該情況主要牽涉到電能表內(nèi)部的幾個(gè)元器件和組裝焊接工藝等方面；其次是直觀檢查和通電不合格項(xiàng)及多功能試驗(yàn)不合格，涉及到電能表的外殼損壞、開路、485芯片故障等多個(gè)方面因素。
3.2 單相載波電子式電能表檢定情況
廣州地區(qū)從2009年開始引入單相載波電子式電能表，第一年度計(jì)劃共為4275只，其中首檢發(fā)現(xiàn)不合格電能表1只，合格率達(dá)到99.98%。不合格電能表的判定原因?yàn)椤安话l(fā)脈沖”，據(jù)分析是其內(nèi)部電能計(jì)量專用芯片發(fā)生故障所致。
3.3 單相無(wú)線電子式電能表檢定情況
2009年廣州地區(qū)第一次購(gòu)買了630只單相無(wú)線電子式電能表，其首檢合格率為100%，并未發(fā)現(xiàn)不合格電能表。
由于單相載波電子式電能表和單相無(wú)線電子式電能都是首次、而且是小批量進(jìn)入廣州地區(qū)，因此其首檢量并未有足夠的代表性。但我們可以通過(guò)對(duì)上述三種單相電子式電能表的工作、特別是抄表方式的差異去進(jìn)一步研究它們各自的技術(shù)特性，在其后的首檢過(guò)程中繼續(xù)有針對(duì)性地積累關(guān)鍵元器件的運(yùn)行數(shù)據(jù)機(jī)故障情況，為日后的檢定及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、電能數(shù)據(jù)抄讀等工作做好技術(shù)準(zhǔn)備。
4.結(jié)束語(yǔ)
隨著電能計(jì)量的要求提高，電能表數(shù)據(jù)抄讀的技術(shù)發(fā)展，各種抄讀方法特別是居民用戶的遠(yuǎn)程集中抄表技術(shù)將逐漸成熟，并將陸續(xù)投入實(shí)際運(yùn)行中使用。因此可以預(yù)見的是，將會(huì)有更多帶有新抄讀方式的電能表進(jìn)入廣州地區(qū)。作為電能表的首檢部門，除了要繼續(xù)提高自身對(duì)電能表本身技術(shù)參數(shù)的認(rèn)識(shí)外，還應(yīng)該對(duì)各種電能表運(yùn)行和抄讀知識(shí)進(jìn)行了解。只有明白電能表在運(yùn)行中和抄讀中的工作原理和狀況，才能對(duì)每一個(gè)檢定項(xiàng)目的具體作用有清晰的了解，提高自身工作的認(rèn)識(shí)和針對(duì)性。隨著社會(huì)的發(fā)展和用戶對(duì)電能要求的提高，電力供應(yīng)部門也將要不斷提升自身的服務(wù)質(zhì)量，電能表除了對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量外還將通過(guò)各種遠(yuǎn)程抄錄數(shù)據(jù)方式對(duì)電網(wǎng)和用戶用電情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，建立一個(gè)高效完善的電能計(jì)量管理信息系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表技術(shù)條件.DL/T 585-95.
[2]陳向群.電能計(jì)量——技能考核培訓(xùn)教材[M].
作者簡(jiǎn)介：
關(guān)鍵詞：無(wú)線輸電；電磁耦合；特斯拉線圈；共振線圈；太空輸電
引言：隨著人們對(duì)世界的探索和對(duì)知識(shí)的融匯，誕生了很多無(wú)線的高科技產(chǎn)品，如無(wú)線電話，藍(lán)牙耳機(jī)，紅外傳輸，無(wú)線鼠標(biāo)……大家是否盼望電能的傳輸也能像電話一樣開啟無(wú)線的時(shí)代，相信在未來(lái)的不久輸電的無(wú)線時(shí)代會(huì)逐步走進(jìn)人們的生活。無(wú)線輸電嚴(yán)格來(lái)講就是無(wú)線電源，一切用電設(shè)備將不在需要連接電源的導(dǎo)線。
無(wú)線輸電優(yōu)點(diǎn)
電能作為一種能量，傳統(tǒng)的電能傳輸主要是靠導(dǎo)線或?qū)w進(jìn)行輸送，但是從發(fā)電，輸電，變電，配電，用電在這些復(fù)雜的環(huán)節(jié)中，要使用大量的導(dǎo)線，桿塔，變電設(shè)備和換流設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)的日常維護(hù)也是離不開的。無(wú)線輸電能夠省去電力輸送過(guò)程中的諸多環(huán)節(jié)，使電能輸送變得更為經(jīng)濟(jì)。而且傳統(tǒng)的蓄電池也可以不再需要，因?yàn)闊o(wú)線輸電可以直接將電能輸送到用電設(shè)備，比如筆記本，手機(jī)，電動(dòng)車……這樣就可以為人們的日常生活帶來(lái)了很多的方便，擺脫了電線及充電器的束縛。所以將電能輸送無(wú)線化是有很大前景的。
無(wú)線輸電原理
特斯拉無(wú)線輸電：尼古拉·特斯拉這位架起電與磁之間橋梁的科學(xué)巨匠，也是最早提出無(wú)線輸電的大師。他的理論是將低頻高壓電流轉(zhuǎn)化為高頻電流，然后再由空氣作為傳輸媒介來(lái)輸電。經(jīng)常看到的特斯拉線圈就是能夠生產(chǎn)出既高頻又低電流的高壓交流電。而且在一次記者招待會(huì)上，特斯拉做出了一個(gè)經(jīng)特斯拉線圈產(chǎn)生的高頻電流經(jīng)過(guò)自己的身體，使一顆無(wú)線燈泡發(fā)亮的展示。特斯拉線圈的線路和原理都很簡(jiǎn)單，本質(zhì)是一個(gè)可以獲得高頻電流的變壓器。后來(lái)特斯拉又發(fā)明了放大發(fā)射機(jī)，也就是現(xiàn)在的大功率高頻傳輸共振變壓器。特斯拉把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，地球電離層作為外導(dǎo)體，通過(guò)放大發(fā)射機(jī)，這種放大發(fā)射機(jī)特有的電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起了低頻共振，利用地球表面的電磁波作為媒質(zhì)來(lái)傳輸能量。可惜特斯拉有生之年沒(méi)有財(cái)力實(shí)現(xiàn)這一發(fā)明，在這位巨匠隕落之后，這項(xiàng)技術(shù)被擱置，目前此技術(shù)又被重新研究。特斯拉線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1
電磁耦合共振的無(wú)線輸電：這種技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用，并且制造出了一些科技產(chǎn)品，為數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)，筆記本進(jìn)行無(wú)線感應(yīng)充電。既然是感應(yīng)充電，需要將用電設(shè)備置于感應(yīng)裝置上才能對(duì)其進(jìn)行充電，即充點(diǎn)墊。此技術(shù)尚在研究階段，感應(yīng)距離是很微小的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足輸電的要求。近日麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組在2米的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線輸電，但是傳輸效率只有40%。這種無(wú)線輸電的原理是：采用兩個(gè)耦合共振線圈，一個(gè)線圈接電源成為送電端，另外一個(gè)為接收端。讓兩個(gè)線圈具有相同的頻率，線圈之間就可以進(jìn)行電能的輸送，這兩個(gè)共振線圈不會(huì)被其他頻率的物體所干擾，因此可以讓兩個(gè)耦合共振的線圈透過(guò)同一磁場(chǎng)傳輸電力，相當(dāng)于開啟了一個(gè)電能傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>
電磁耦合式無(wú)線輸電是一種基于電磁感應(yīng)原理的輸電方式，可以達(dá)到輸電設(shè)備與用電設(shè)備間非物理接觸就可以傳輸電能的效果，也是目前極有可能成為無(wú)線輸電的技術(shù)手段。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，能量發(fā)送端，無(wú)接觸變壓器和能量接收端。簡(jiǎn)化圖如圖2所示
圖2
由于這種系統(tǒng)屬于疏松耦合系統(tǒng)，傳輸效率低，為了提高傳輸能力，初級(jí)變壓器通常采用高頻變壓器。無(wú)接觸變壓器是系統(tǒng)中的樞紐部分，對(duì)穩(wěn)定電流，高效傳輸起決定性作用。能量發(fā)射端由整流濾波電路，高頻逆變裝置和控制電路構(gòu)成，與變壓器的初級(jí)相連。能量接收端由輸出整流濾波器和控制電路組成，與變壓器次級(jí)相連。系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖如圖3所示，耦合程度如圖4所示。
圖3
圖4
無(wú)線輸電前景展望
無(wú)線輸電的科技實(shí)踐，證實(shí)無(wú)線輸電理論切實(shí)可行。如果將這種無(wú)線輸電的方式擴(kuò)展為太空輸電，那么能源是取之不盡用之不竭的。太陽(yáng)內(nèi)部熱核反應(yīng)所造出的太陽(yáng)能是非常巨大的，太陽(yáng)每小時(shí)所釋放的能量，可供人類使用5萬(wàn)年，然而輻射到地球的能量只有22億分之一。若將太陽(yáng)能盡可能利用，則可以解決全球因煤炭發(fā)電，引起的全球變暖問(wèn)題，同時(shí)環(huán)境污染得到了有效遏制，屆時(shí)人類將會(huì)用到廉價(jià)、清潔、 可持續(xù)的能源。
由于地面受云層等天氣狀況的影響，不利于陽(yáng)光的收集，但是太空中陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度是地面的15倍，從地表發(fā)射一個(gè)帶有單晶硅太陽(yáng)能電池板的衛(wèi)星，其高度超過(guò)35800公里后沒(méi)有云層遮蓋，晝夜變化，四季之分，相對(duì)位置與地球保持不變。將電池板收集儲(chǔ)存的能量通過(guò)無(wú)線輸電的技術(shù)傳送到地表，然后通過(guò)無(wú)線輸電技術(shù)將其輸送至千家萬(wàn)戶。這將是人類能源利用的一次革命性突破，會(huì)給各科領(lǐng)域帶來(lái)新的輝煌。其簡(jiǎn)化圖如圖5所示。
結(jié)束語(yǔ)
本文將特斯拉線圈的電磁感應(yīng)與電磁耦合相融合，使電磁感應(yīng)無(wú)線輸電的低效率與電磁耦合輸電的短距離相彌補(bǔ)。以現(xiàn)有的研究水平對(duì)無(wú)線輸電進(jìn)行了說(shuō)明和推導(dǎo)公式的展示，以及筆者大膽建立的太空無(wú)線輸電模式，希望為研究無(wú)線輸電盡微薄之力。
參考文獻(xiàn)
[1]曾翔，基于磁耦合共振的無(wú)線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,23(5)
[2] 松浦虔士著，電力傳輸工程[M]，曹廣益（譯者），錢允琪（譯者），北京科學(xué)出版社，2001
[3] 趙相濤,無(wú)線輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景,2010
[4] 李 平，諧振式無(wú)線輸電的可行性研究 [ J]， 廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 26( 1): 107 109.
[5] K re in Philip T. E lem en ts of Pow Electronics [M].New York: Oxford University Press, 2004.
[6]候清江，無(wú)線供電方案及應(yīng)用 2009（2）
【關(guān)鍵詞】可穿戴終端 無(wú)線充電 電場(chǎng)耦合 移動(dòng)電源
1 引言
近兩年，從頭戴設(shè)備、手表到手環(huán)，可穿戴設(shè)備的興起成為移動(dòng)市場(chǎng)的新焦點(diǎn)。然而，由于硬件體積受限，可穿戴設(shè)備的電池容量?jī)H為幾十到幾百毫安，續(xù)航時(shí)間短、需頻繁充電成為用戶體驗(yàn)中的痛點(diǎn)。在電池新技術(shù)短時(shí)間內(nèi)難以迅速突破的困境下，具備更好體驗(yàn)的無(wú)線充電成為折中的解決方案。由于具備一定的技術(shù)門檻，目前大多數(shù)可穿戴設(shè)備還是使用傳統(tǒng)的有線充電方式，僅Moto360、高通Toq手表、蘋果Apple Watch等數(shù)款明星產(chǎn)品采用了無(wú)線充電。
無(wú)線充電從原理上可分為電磁感應(yīng)式、磁共振式、電場(chǎng)耦合式和無(wú)線電波式4種，市面上支持無(wú)線充電的可穿戴設(shè)備大多基于技術(shù)較成熟的電磁感應(yīng)式，但存在占用空間大、發(fā)熱明顯等問(wèn)題[1]。由于電場(chǎng)耦合無(wú)線充電方式電極薄、電極發(fā)熱極低[2]，符合可穿戴設(shè)備的訴求，且因起步晚而發(fā)展空間較大，因此本文將針對(duì)這種充電方式進(jìn)行研究和改進(jìn)。
現(xiàn)有電場(chǎng)耦合無(wú)線充電都是采用整塊極板的方式，在終端與電源端充電接口未精確對(duì)準(zhǔn)時(shí)充電效率會(huì)大幅降低，不符合用戶自由放置充電的需求。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出針對(duì)可穿戴設(shè)備的劃小分割式電極板，有效降低交叉耦合產(chǎn)生的影響。
同時(shí)，可穿戴設(shè)備是為日常的持續(xù)使用而設(shè)計(jì)的，能與用戶在任何時(shí)刻進(jìn)行交互[3]，然而目前可穿戴設(shè)備充電時(shí)仍需將其從腕部拆下后進(jìn)行充電，存在數(shù)據(jù)記錄的盲區(qū)，本文也針對(duì)此問(wèn)題提出了關(guān)于無(wú)線充電式移動(dòng)電源的幾種實(shí)現(xiàn)方案。
2 工作原理
電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電最初由村田制作社提出，并被廣泛引入新的設(shè)計(jì)。該公司的做法是使用準(zhǔn)靜電電場(chǎng)并通過(guò)電容傳輸能量，這種電容則是由屬于物理上分開的器件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)器件彼此靠近就能形成一個(gè)電容陣列，并用來(lái)傳輸能量。在工作狀態(tài)中電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)的絕大部分電通量分布于電極之間，對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾很小[4]。
本系統(tǒng)通過(guò)一組3.7V鋰電池提供電能，經(jīng)過(guò)升壓電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路，為發(fā)射極板提供高頻交流電，并在終端接收后經(jīng)整流濾波為終端充電，具體如圖1所示。其中，電極板的改進(jìn)以及其邏輯選擇的方式是本研究的重點(diǎn)。
3 極板設(shè)計(jì)
在電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電中，平板式耦合結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射端與接收端的相對(duì)位置要求比較嚴(yán)格。圖2展示了平板式耦合機(jī)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)的電極未對(duì)準(zhǔn)的情況。發(fā)射電極1不僅和接收電極1存在耦合，和接收電極2也有部分耦合，同時(shí)發(fā)射電極2也和兩接收電極均存在耦合，這種一個(gè)發(fā)射電極同時(shí)與兩個(gè)接收電極耦合，或者一個(gè)接收電極同時(shí)與兩個(gè)發(fā)射電極耦合的現(xiàn)象被稱為交叉耦合。
在存在錯(cuò)位的情況下，嚴(yán)重的交叉耦合容易造成輸出電壓波動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制或者恒定功率輸出。且對(duì)于平板式耦合機(jī)構(gòu)，在偏差角度不一致的情況下，即使偏移距離一樣，其交叉耦合程度的差異也可能非常大，交叉耦合的情況比較復(fù)雜[5]。
對(duì)于可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，這種位置和角度上的偏差在所難免，這會(huì)明顯影響到充電效率，延長(zhǎng)充電時(shí)間。為解決交叉耦合產(chǎn)生的影響，本文提出劃小分割式電極，通過(guò)將發(fā)射電極進(jìn)行細(xì)分切割以及每個(gè)電極分別接上控制開關(guān)，將交叉耦合程度降至最低。針對(duì)智能手表等圓盤式可穿戴設(shè)備，可采用如圖3的結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射電極由7個(gè)正六邊形組成，接收電極為2個(gè)正六邊形的電極板。
在終端位置確定后，需通過(guò)開關(guān)控制電路進(jìn)行最佳正負(fù)極板的選擇。極板選擇的邏輯流程如圖4所示，通電后將計(jì)數(shù)器i與參考最大電壓分別置于1與0，使計(jì)數(shù)器i從1開始計(jì)數(shù)，選擇不同的發(fā)射極板，直至達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，在未接收到充電已滿信息時(shí)，維持正常充電狀態(tài)，直至充滿。充電時(shí)若收到終端發(fā)射的電流異動(dòng)信號(hào)，即表明可穿戴終端位置可能偏移或者設(shè)備已移走不再充電，那么重新對(duì)極板進(jìn)行選擇，并進(jìn)行充電。若在n次選擇后Imax仍為0，即表明設(shè)備已移走，此時(shí)關(guān)閉電源，充電停止。
通過(guò)上述改進(jìn)的劃小分割式極板設(shè)計(jì)和選擇，當(dāng)接收電極放在不同位置時(shí)能得到大致相同的耦合電容，并在耦合電容發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)控制發(fā)射極板實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)諧[6]，以此控制輸出功率，調(diào)節(jié)輸出電壓，保證充電效率。
4 實(shí)現(xiàn)電路
4.1 移動(dòng)電源端發(fā)射電路
圖5為電能發(fā)射基礎(chǔ)電路圖。升壓采用TI的TLV61220電池解決方案，可實(shí)現(xiàn)輸出電流取決于輸入輸出電壓比。升壓轉(zhuǎn)換器建立在采用同步整流的磁滯控制器拓?fù)浠A(chǔ)上，能夠以最少的靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)最高的效率。E類放大器電路與CLC高頻諧振電路將直流電逆變?yōu)楦哳l交流電，其中CLC諧振電路相比單級(jí)LC諧振系統(tǒng)具有更大的諧振容量，且具有比LC諧振更小的頻率漂移[7-8]。
4.2 可穿戴終端接收電路
圖6為電能接收端的基礎(chǔ)電路圖。在實(shí)際的充電過(guò)程中，發(fā)送極板與接收極板進(jìn)行耦合，接收端得到交變電流，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)橋式整流電路。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動(dòng)較大，含有較大的諧波成分，不能直接對(duì)電池充電，因此需要再連接一個(gè)RC濾波電路[9-10]，濾波電路將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸Ｔ诶硐肭闆r下，在濾波后只保留直流成分，而濾去所有的交流成分。
5 無(wú)線充電式移動(dòng)電源方案
針對(duì)可穿戴設(shè)備充電時(shí)需從身上卸下的問(wèn)題，本文對(duì)此提出了關(guān)于無(wú)線充電式移動(dòng)電源的幾種實(shí)現(xiàn)方案。如圖7（a）所示，智能手表表帶上設(shè)有接收極板，與表盤內(nèi)無(wú)線充電接收模塊及電池相連接，表帶狀電源實(shí)質(zhì)為一腕帶式移動(dòng)電源，若按此大小設(shè)計(jì)，電池容量至少有300mAh。在腕帶電源的中部朝里設(shè)有無(wú)線充電發(fā)射極板，當(dāng)將其扣上手表表帶時(shí)，腕帶式移動(dòng)電源的發(fā)射極板與表帶上接收極板匹配，即可進(jìn)行無(wú)線充電，避免了智能手表卸下充電的步驟，可滿足智能手表全天候工作的需求。
圖7（b）為智能手表表殼，底部設(shè)有充電極板及充電電路，由于電極板只有幾百微米，加上充電電路后厚度較小，不影響舒適度，表蓋部分內(nèi)置有鋰電池。圖7（c）為手環(huán)式移動(dòng)電源，手環(huán)外接一個(gè)圓盤，設(shè)有充電極板及充電電路，手腕圓環(huán)部分內(nèi)置有鋰電池。當(dāng)智能手表需要充電時(shí)，只需要戴上該無(wú)線充電手環(huán)，并將圓盤極板置于表背，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)可穿戴設(shè)備目前在無(wú)線充電中存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電中電容極板進(jìn)行改進(jìn)，使設(shè)備在充電時(shí)有更大的空間自由度，不會(huì)由于可穿戴設(shè)備端與電源端未完全對(duì)準(zhǔn)而導(dǎo)致充電效率低下甚至不充電，提升了用戶體驗(yàn)。在電路實(shí)現(xiàn)上，本文給出電源端與可穿戴設(shè)備接收端的基礎(chǔ)電路圖作為參考。最后，3種針對(duì)可穿戴設(shè)備的移動(dòng)電源方案可以為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供思路。
參考文獻(xiàn)：
[1] 孟慶奎. 手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2012.
[2] 陳希有，伍紅霞，牟憲民，等. 電流型電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2015，35（9）： 2279-2286.
[3] 何定潤(rùn). 可穿戴計(jì)算低功耗設(shè)計(jì)方法研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2006.
[4] 張開洪，顏禹，張歡韻，等. 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)研究[J]. 電源技術(shù)， 2015，39（5）： 997-1000.
[5] 孫雨. 電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2014.
[6] 蘇玉剛，徐建，謝詩(shī)云，等. 電場(chǎng)耦合性無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2013，28（11）： 189-194.
[7] 戴欣，余奎，孫躍. CLC諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的H∞控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2010，30（30）： 47-54.
[8] 胡友強(qiáng)，戴欣. 基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2010，31（9）： 2133-2138.
【關(guān)鍵詞】 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù) 軍事通信領(lǐng)域 應(yīng)用價(jià)值
認(rèn)知無(wú)線電是以軟件無(wú)線電為基礎(chǔ)的一種智能無(wú)線通信系統(tǒng)，認(rèn)知無(wú)線電能夠適應(yīng)好周圍的環(huán)境變化，動(dòng)態(tài)識(shí)別沒(méi)有被占用的合法頻譜，在空閑頻譜信號(hào)傳輸過(guò)程中不會(huì)對(duì)合理合法用戶造成有害干擾。
一、認(rèn)識(shí)無(wú)線電的基本概念和基本分類
1.1認(rèn)知無(wú)線電的基本概念
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，軟件無(wú)線電的概念被人們所熟知，并且將其逐步引入到軍事通信領(lǐng)域中來(lái)。無(wú)線通信技術(shù)通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電臺(tái)的各種操作功能，以軟件無(wú)線電為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線調(diào)制解調(diào)算法[1]。也就是說(shuō)，軟件無(wú)線電的出現(xiàn)將改變目前基于硬件和面向用途的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。在不斷完善的軍事通信領(lǐng)域過(guò)程中，應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠顯著提高軍事通信系統(tǒng)的信息化水平。另外一個(gè)角度來(lái)看，軍事無(wú)線通信的需求在迅猛增長(zhǎng)，軍事通信系統(tǒng)對(duì)無(wú)線頻譜資源的需求也在不斷地增長(zhǎng)中。針對(duì)上述問(wèn)題，軟件無(wú)線電和協(xié)同通信等技術(shù)不斷推陳出新，導(dǎo)致無(wú)線頻譜的利用率越來(lái)越低，從而降低了軍事無(wú)線的通信性能。認(rèn)知無(wú)線電的使用則有效解決了上述問(wèn)題，認(rèn)知無(wú)線電能夠通過(guò)貧譜感知技術(shù)進(jìn)入到授權(quán)頻段，從而最大限度地提高無(wú)線頻譜的利用效率，提高軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力。
1.2認(rèn)知無(wú)線電的基本分類
1、頻譜感知技術(shù)。主要指的是對(duì)電磁環(huán)境的感知能力，從而發(fā)現(xiàn)出頻譜空洞，再?gòu)闹惺煜ず脽o(wú)線信號(hào)的基本特性，再進(jìn)行合理利用。
2、頻譜分配技術(shù)。頻譜感知探測(cè)到的頻譜空洞資源隨著用戶的需求而進(jìn)行相應(yīng)改變的，按照不規(guī)律的頻譜資源進(jìn)行整合能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜資源的合理分配與應(yīng)用。
3、功率控制技術(shù)。軍事通信系統(tǒng)中，頻譜發(fā)射功率一旦不合適勢(shì)必會(huì)影響到通信水平。在清楚認(rèn)知傳統(tǒng)功率控制方法基礎(chǔ)上，再將信息論和對(duì)策論等互為結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不斷 改善軍事通信過(guò)程中的功率控制。
二、認(rèn)知無(wú)線電的基本特點(diǎn)
現(xiàn)階段來(lái)看，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：（1）信息認(rèn)知能力；（2）頻譜管理能力。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是在無(wú)線電技術(shù)上的創(chuàng)新與進(jìn)步，無(wú)線電的信息認(rèn)知能力主要體現(xiàn)在能夠有效感知或者捕獲到所在工作環(huán)境中的相關(guān)信息，再?gòu)闹刑暨x出最為合適的工作參數(shù)和頻譜。頻譜管理能力主要體現(xiàn)在對(duì)頻譜的感知方面和判決方面，在很大程度上能夠有效提高頻譜的管理能力。除此之外，頻譜感知能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)可以用的頻段，再發(fā)F其中的頻譜空洞[2]。總而言之，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)o(wú)線電磁環(huán)境進(jìn)行有效分析，再快速感應(yīng)出相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最終有利于提高軍事通信系統(tǒng)的傳輸能力。一旦頻譜管理不當(dāng)或者分配方案不夠靈活，勢(shì)必會(huì)貽誤戰(zhàn)機(jī)，使得認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)無(wú)法快速且有效的完成頻譜資源的合理分配，在通信過(guò)程中能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)的頻譜需要而進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，不僅僅能夠提高軍事通信系統(tǒng)對(duì)頻譜的管理效率，而且還能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
三、認(rèn)知無(wú)線電在軍事領(lǐng)域中的主要優(yōu)勢(shì)和面臨的阻礙
認(rèn)知無(wú)線電是一種能夠感知軍事無(wú)線環(huán)境，且通過(guò)對(duì)環(huán)境的理解與學(xué)習(xí)等實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部配置，從而最終適應(yīng)外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變化的一項(xiàng)技術(shù)[3]。
認(rèn)知無(wú)線電目前面臨的主要障礙。首先，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的終端研制制約其發(fā)展；其次，認(rèn)知無(wú)線電軟件技術(shù)的研究需要針對(duì)各種戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，最終應(yīng)用到軍用終端上，但是目前的技術(shù)尚未達(dá)到有關(guān)水平。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高性能且軟件化的射頻終端將應(yīng)用在軍用認(rèn)知無(wú)線電領(lǐng)域中。
主要優(yōu)勢(shì)。軍用無(wú)線電電子對(duì)抗通過(guò)感知戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜特性能夠提取出干擾信號(hào)的特征，從而準(zhǔn)確且快速地進(jìn)行敵我識(shí)別。與此同時(shí)，進(jìn)行電磁頻譜偵察能夠大大提高電子對(duì)抗效率，當(dāng)敵方采用掃頻式干擾模式時(shí)，能夠采用更換頻率集的對(duì)抗戰(zhàn)略。一旦敵方變換姿勢(shì)，采用跟蹤式干擾方式時(shí)，我方可以采用變速跳頻的對(duì)抗策略。在軍用認(rèn)知無(wú)線電抗干擾策略中主要應(yīng)用的是抗敵方干擾策略，敵方干擾的常見方式有以下幾種：其一，阻塞式；其二，掃描式；其三，瞄準(zhǔn)式。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)頻譜的感知，將敵方的干擾信號(hào)所在頻段劃分在門限以上，將沒(méi)有干擾的信號(hào)頻段劃分在門限以下，基于此能夠避開信號(hào)干擾。
四、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有接入非常靈活的特點(diǎn)，能夠有效提高頻譜的利用效率，在軍事通信領(lǐng)域中發(fā)揮出很大的作用。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 費(fèi)利軍，王亞鴿.認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)及在軍事通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，15（17）：36-38，42.
1、含有無(wú)線充電功能的有iPhone 8、iPhone 8 Plus, iPhone X，iPhone XR，iPhone XS，iPhoneXS MAX。
2、手機(jī)無(wú)線充電的優(yōu)點(diǎn)：1.利用無(wú)線磁電感應(yīng)充電的設(shè)備可做到隱形，設(shè)備磨損率低，應(yīng)用范圍廣，公共充電區(qū)域面積相對(duì)的減小，但減小的占地面積份額不會(huì)太大。
2.技術(shù)含量高，操作方便，可實(shí)施相對(duì)來(lái)說(shuō)的遠(yuǎn)距離無(wú)線電能的轉(zhuǎn)換，但大功率無(wú)線充電的傳輸距離只限制在5米以內(nèi)，不會(huì)太遠(yuǎn)。3.操作方便。
（來(lái)源：文章屋網(wǎng) ）
