行业互联网|前沿科技：多负载无线电能传输系统的技术瓶颈与未来发展
多负载无线电能传输技术是近年来研究热点之一 ， 它作为无线电能传输中的一个关键技术 ， 广泛应用于移动设备、智能家居、电动汽车等领域 ， 具有广阔的应用范围和研究前景 。
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术无需导线或者其他物理连接 ， 通过空间将电能直接传输到负载 ， 具有输电灵活方便等优势 。 1893年 ， 特斯拉在哥伦比亚世界博览会上首次隔空点亮一盏灯 ， 标志着电能无线传输成为可能 。
目前 ， WPT系统的供电对象大多以单个负载为主 ， 通常包括单发射线圈和多发射线圈两种形式 ， 主要应用于便携式电子设备、家用电器、电动汽车、植入式医疗电源等领域 。
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然而 ， 单负载WPT系统存在以下几方面的不足：①负载唯一 ， 只能进行“点对点”式的无线电能传输 ， 系统的利用率较低；②位置敏感 ， 感应式或谐振式单负载WPT系统仅在发射线圈和接收线圈同轴正对时才能获得最高传输效率 ， 当线圈发生偏移时 ， 传输效率将明显下降；③空间自由度低 ， 单负载WPT系统的发射端一旦固定 ， 接收端的位置也随之固定 ， 难以满足负载位置灵活多变的要求 。
同时 ， 随着具有无线接收电能功能的电气电子产品日益增加 ， 如物联网（Internet of Things, IoT）中的传感器 ， 单负载WPT系统无法满足多台设备同时需要无线供电的要求 。
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因此 ， 多负载WPT成为近年来无线电能传输技术的研究热点之一 。 多负载WPT系统主要包括单输入多输出和多输入多输出两种形式 ， 发射线圈通过产生足够大的平面磁场 ， 使多个接收线圈同时拾取电能 ， 或产生全方向的空间磁场 ， 使位于发射线圈周围任意位置的负载均能接收电能 。 随着多负载WPT技术的发展成熟 ， 接收无线电能将像接收Wi-Fi信号一样方便 ， 尤其适用于智能家居、机场、咖啡厅等公共场所 ， 显然 ， 多负载WPT系统的应用前景非常广阔 。
在实际的多负载WPT系统中 ， 各接收线圈大小可能不一 ， 与发射线圈之间耦合程度不尽相同 ， 且负载所需能量存在差异 。 因此 ， 多负载WPT系统具有负载多样性 。 同时 ， 接收线圈所处位置各不相同 ， 因此多负载WPT系统需具有多方向性 ， 保证电能向多个方向传输 。 此外 ， 多负载WPT系统通常采用多个发射线圈 ， 需要多个多组驱动信号 ， 而发射线圈之间往往存在交叉耦合 ， 增加了系统控制的复杂性 。
在电子设备日益增多的时代 ， 多负载无线电能传输越来越受到人们的青睐 。 目前 ， 多负载WPT系统仍然存在诸如空间自由度不够、发射端和接收端体积庞大、传输效率低、负载互相干扰、功率分配不合理等缺陷 。 未来 ， 随着以下关键技术的解决和新兴技术的应用 ， 多负载WPT系统将获得更大的发展 。
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图1 多负载无线电能传输系统的分类
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图2 多发射线圈的结构
（1）电压负载无关与负载隔离技术
多负载WPT系统在实际应用中 ， 各个接收设备的种类、位置、负载大小、负载特性以及功率需求存在很大的差异 ， 同时 ， 在充电过程中某一负载突然增加或者移除对其他负载的影响也不容忽视 。 因此 ， 实现电压负载无关或负载隔离是多负载WPT系统的一项关键技术 。
目前实现电压负载无关或负载隔离的方法主要有以下四种：
①使用恒流或恒压源驱动发射线圈 ， 但如果只是部分负载发生变化 ， 那么调整电源将导致所有负载都受影响；
②在发射端和接收端单独或同时增加补偿电路 ， 但随着负载数量的增加 ， 需要大量的补偿电路 ， 使系统过于繁琐；
③使用多频率负载隔离技术 ， 如多频率叠加和多频率分时复用 ， 但该方法对电源要求较高 ， 不仅需要输出多个频率交流电 ， 而且需要保证系统在不同频率下工作稳定；
④利用控制算法实现接收设备投入或移除时的自动管理功率分配 ， 未来可进一步探索新的控制算法在多负载WPT系统中的应用 。
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图3 单导线立体线圈型多负载WPT系统的发射线圈结构
（2）更大的空间自由度
理想情况下 ， 负载的空间位置具有任意性 ， 因此 ， 全方向多负载WPT系统需满足这一要求 。 目前全方向WPT技术大多是从发射线圈和接收线圈结构进行创新 ， 并配合驱动控制技术产生全方向磁场 ， 但接收线圈与磁场方向平行时仍无法接收电能 。
因此 ， 探索一种完全意义全方向的无线电能传输技术将是未来发展趋势之一 。 例如 ， 可利用如今无处不在的Wi-Fi信号 ， 使无线电能传输变得像接收Wi-Fi信号一样便捷 ， 随时随地对设备进行无线充电 。
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图4 亥姆霍兹线圈型多负载WPT系统
（3）新材料应用
铜是制作线圈的常用材料 ， 虽然铜线圈性能优良、性价比高 ， 然而铜线圈的性能很难再有突破性提升 。 多壁碳纳米管涂层螺旋线圈、超导材料线圈、超材料线圈等新材料的应用 ， 使无线电能传输系统的性能获得提升 ， 并在特殊环境条件下表现出铜线圈不具备的优异传输特性 。
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图5 准静态谐振空腔WPT系统
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图6 微波传输型多负载WPT系统
（4）新型无线电能传输机理应用
为解决感应和谐振WPT技术的瓶颈问题 ， 不仅需要进一步完善理论分析 ， 而且需要探索新型无线电能传输机理 ， 如近年来兴起的分数阶电路谐振WPT技术和宇称时间对称WPT技术 。 将这些新型传输机理运用在多负载WPT系统中 ， 将有望从原理上大幅度提升系统的传输性能 。 本文编自《电工技术学报》 ， 原文标题为“多负载无线电能传输系统” ， 作者为罗成鑫、丘东元、张波、肖文勋、陈艳峰 。
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