- 頭條前沿科技：多負載無線電能傳輸系統的技術瓶頸與未來發展2021-02-20 作者：羅成鑫 丘東元 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在電子設備日益增多的時代，多負載無線電能傳輸越來越受到人們的青睞。目前，多負載WPT系統仍然存在諸如空間自由度不夠、發射端和接收端體積龐大、傳輸效率低、負載互相干擾、功率分配不合理等缺陷。未來，隨著以下關鍵技術的解決和新興技術的應用，多負載WPT系統將獲得更大的發展。
多負載無線電能傳輸技術是近年來研究熱點之一，它作為無線電能傳輸中的一個關鍵技術，廣泛應用于移動設備、智能家居、電動汽車等領域，具有廣闊的應用范圍和研究前景。
無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術無需導線或者其他物理連接，通過空間將電能直接傳輸到負載，具有輸電靈活方便等優勢。1893年，特斯拉在哥倫比亞世界博覽會上首次隔空點亮一盞燈，標志著電能無線傳輸成為可能。
目前，WPT系統的供電對象大多以單個負載為主，通常包括單發射線圈和多發射線圈兩種形式，主要應用于便攜式電子設備、家用電器、電動汽車、植入式醫療電源等領域。
然而，單負載WPT系統存在以下幾方面的不足：①負載唯一，只能進行“點對點”式的無線電能傳輸，系統的利用率較低；②位置敏感，感應式或諧振式單負載WPT系統僅在發射線圈和接收線圈同軸正對時才能獲得最高傳輸效率，當線圈發生偏移時，傳輸效率將明顯下降；③空間自由度低，單負載WPT系統的發射端一旦固定，接收端的位置也隨之固定，難以滿足負載位置靈活多變的要求。
同時，隨著具有無線接收電能功能的電氣電子產品日益增加，如物聯網（Internet of Things, IoT）中的傳感器，單負載WPT系統無法滿足多臺設備同時需要無線供電的要求。
因此，多負載WPT成為近年來無線電能傳輸技術的研究熱點之一。多負載WPT系統主要包括單輸入多輸出和多輸入多輸出兩種形式，發射線圈通過產生足夠大的平面磁場，使多個接收線圈同時拾取電能，或產生全方向的空間磁場，使位于發射線圈周圍任意位置的負載均能接收電能。隨著多負載WPT技術的發展成熟，接收無線電能將像接收Wi-Fi信號一樣方便，尤其適用于智能家居、機場、咖啡廳等公共場所，顯然，多負載WPT系統的應用前景非常廣闊。
在實際的多負載WPT系統中，各接收線圈大小可能不一，與發射線圈之間耦合程度不盡相同，且負載所需能量存在差異。因此，多負載WPT系統具有負載多樣性。同時，接收線圈所處位置各不相同，因此多負載WPT系統需具有多方向性，保證電能向多個方向傳輸。此外，多負載WPT系統通常采用多個發射線圈，需要多個多組驅動信號，而發射線圈之間往往存在交叉耦合，增加了系統控制的復雜性。
在電子設備日益增多的時代，多負載無線電能傳輸越來越受到人們的青睞。目前，多負載WPT系統仍然存在諸如空間自由度不夠、發射端和接收端體積龐大、傳輸效率低、負載互相干擾、功率分配不合理等缺陷。未來，隨著以下關鍵技術的解決和新興技術的應用，多負載WPT系統將獲得更大的發展。
圖1 多負載無線電能傳輸系統的分類
圖2 多發射線圈的結構
（1）電壓負載無關與負載隔離技術
多負載WPT系統在實際應用中，各個接收設備的種類、位置、負載大小、負載特性以及功率需求存在很大的差異，同時，在充電過程中某一負載突然增加或者移除對其他負載的影響也不容忽視。因此，實現電壓負載無關或負載隔離是多負載WPT系統的一項關鍵技術。
目前實現電壓負載無關或負載隔離的方法主要有以下四種：
- ①使用恒流或恒壓源驅動發射線圈，但如果只是部分負載發生變化，那么調整電源將導致所有負載都受影響；
- ②在發射端和接收端單獨或同時增加補償電路，但隨著負載數量的增加，需要大量的補償電路，使系統過于繁瑣；
- ③使用多頻率負載隔離技術，如多頻率疊加和多頻率分時復用，但該方法對電源要求較高，不僅需要輸出多個頻率交流電，而且需要保證系統在不同頻率下工作穩定；
- ④利用控制算法實現接收設備投入或移除時的自動管理功率分配，未來可進一步探索新的控制算法在多負載WPT系統中的應用。
圖3 單導線立體線圈型多負載WPT系統的發射線圈結構
（2）更大的空間自由度
理想情況下，負載的空間位置具有任意性，因此，全方向多負載WPT系統需滿足這一要求。目前全方向WPT技術大多是從發射線圈和接收線圈結構進行創新，并配合驅動控制技術產生全方向磁場，但接收線圈與磁場方向平行時仍無法接收電能。
因此，探索一種完全意義全方向的無線電能傳輸技術將是未來發展趨勢之一。例如，可利用如今無處不在的Wi-Fi信號，使無線電能傳輸變得像接收Wi-Fi信號一樣便捷，隨時隨地對設備進行無線充電。
圖4 亥姆霍茲線圈型多負載WPT系統
（3）新材料應用
銅是制作線圈的常用材料，雖然銅線圈性能優良、性價比高，然而銅線圈的性能很難再有突破性提升。多壁碳納米管涂層螺旋線圈、超導材料線圈、超材料線圈等新材料的應用，使無線電能傳輸系統的性能獲得提升，并在特殊環境條件下表現出銅線圈不具備的優異傳輸特性。
圖5 準靜態諧振空腔WPT系統
圖6 微波傳輸型多負載WPT系統
（4）新型無線電能傳輸機理應用
為解決感應和諧振WPT技術的瓶頸問題，不僅需要進一步完善理論分析，而且需要探索新型無線電能傳輸機理，如近年來興起的分數階電路諧振WPT技術和宇稱時間對稱WPT技術。將這些新型傳輸機理運用在多負載WPT系統中，將有望從原理上大幅度提升系統的傳輸性能。
本文編自《電工技術學報》，原文標題為“多負載無線電能傳輸系統”，作者為羅成鑫、丘東元、張波、肖文勛、陳艷峰。
