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多負(fù)載無線電能傳輸技術(shù)是近年來研究熱點(diǎn)之一，它作為無線電能傳輸中的一個關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、智能家居、電動汽車等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用范圍和研究前景。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)無需導(dǎo)線或者其他物理連接，通過空間將電能直接傳輸?shù)截?fù)載，具有輸電靈活方便等優(yōu)勢。1893年，特斯拉在哥倫比亞世界博覽會上首次隔空點(diǎn)亮一盞燈，標(biāo)志著電能無線傳輸成為可能。

目前，WPT系統(tǒng)的供電對象大多以單個負(fù)載為主，通常包括單發(fā)射線圈和多發(fā)射線圈兩種形式，主要應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、家用電器、電動汽車、植入式醫(yī)療電源等領(lǐng)域。

然而，單負(fù)載WPT系統(tǒng)存在以下幾方面的不足：①負(fù)載唯一，只能進(jìn)行“點(diǎn)對點(diǎn)”式的無線電能傳輸，系統(tǒng)的利用率較低；②位置敏感，感應(yīng)式或諧振式單負(fù)載WPT系統(tǒng)僅在發(fā)射線圈和接收線圈同軸正對時才能獲得最高傳輸效率，當(dāng)線圈發(fā)生偏移時，傳輸效率將明顯下降；③空間自由度低，單負(fù)載WPT系統(tǒng)的發(fā)射端一旦固定，接收端的位置也隨之固定，難以滿足負(fù)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(chǎn)品日益增加，如物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）中的傳感器，單負(fù)載WPT系統(tǒng)無法滿足多臺設(shè)備同時需要無線供電的要求。

因此，多負(fù)載WPT成為近年來無線電能傳輸技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。多負(fù)載WPT系統(tǒng)主要包括單輸入多輸出和多輸入多輸出兩種形式，發(fā)射線圈通過產(chǎn)生足夠大的平面磁場，使多個接收線圈同時拾取電能，或產(chǎn)生全方向的空間磁場，使位于發(fā)射線圈周圍任意位置的負(fù)載均能接收電能。隨著多負(fù)載WPT技術(shù)的發(fā)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(jī)場、咖啡廳等公共場所，顯然，多負(fù)載WPT系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣闊。

在實(shí)際的多負(fù)載WPT系統(tǒng)中，各接收線圈大小可能不一，與發(fā)射線圈之間耦合程度不盡相同，且負(fù)載所需能量存在差異。因此，多負(fù)載WPT系統(tǒng)具有負(fù)載多樣性。同時，接收線圈所處位置各不相同，因此多負(fù)載WPT系統(tǒng)需具有多方向性，保證電能向多個方向傳輸。此外，多負(fù)載WPT系統(tǒng)通常采用多個發(fā)射線圈，需要多個多組驅(qū)動信號，而發(fā)射線圈之間往往存在交叉耦合，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。

在電子設(shè)備日益增多的時代，多負(fù)載無線電能傳輸越來越受到人們的青睞。目前，多負(fù)載WPT系統(tǒng)仍然存在諸如空間自由度不夠、發(fā)射端和接收端體積龐大、傳輸效率低、負(fù)載互相干擾、功率分配不合理等缺陷。未來，隨著以下關(guān)鍵技術(shù)的解決和新興技術(shù)的應(yīng)用，多負(fù)載WPT系統(tǒng)將獲得更大的發(fā)展。

圖1 多負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)的分類

圖2 多發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)

（1）電壓負(fù)載無關(guān)與負(fù)載隔離技術(shù)

多負(fù)載WPT系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，各個接收設(shè)備的種類、位置、負(fù)載大小、負(fù)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(fù)載突然增加或者移除對其他負(fù)載的影響也不容忽視。因此，實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)載無關(guān)或負(fù)載隔離是多負(fù)載WPT系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

目前實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)載無關(guān)或負(fù)載隔離的方法主要有以下四種：

• ①使用恒流或恒壓源驅(qū)動發(fā)射線圈，但如果只是部分負(fù)載發(fā)生變化，那么調(diào)整電源將導(dǎo)致所有負(fù)載都受影響；
• ②在發(fā)射端和接收端單獨(dú)或同時增加補(bǔ)償電路，但隨著負(fù)載數(shù)量的增加，需要大量的補(bǔ)償電路，使系統(tǒng)過于繁瑣；
• ③使用多頻率負(fù)載隔離技術(shù)，如多頻率疊加和多頻率分時復(fù)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(tǒng)在不同頻率下工作穩(wěn)定；
• ④利用控制算法實(shí)現(xiàn)接收設(shè)備投入或移除時的自動管理功率分配，未來可進(jìn)一步探索新的控制算法在多負(fù)載WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖3 單導(dǎo)線立體線圈型多負(fù)載WPT系統(tǒng)的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)

（2）更大的空間自由度

理想情況下，負(fù)載的空間位置具有任意性，因此，全方向多負(fù)載WPT系統(tǒng)需滿足這一要求。目前全方向WPT技術(shù)大多是從發(fā)射線圈和接收線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，并配合驅(qū)動控制技術(shù)產(chǎn)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(shù)將是未來發(fā)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(shè)備進(jìn)行無線充電。

圖4 亥姆霍茲線圈型多負(fù)載WPT系統(tǒng)

（3）新材料應(yīng)用

銅是制作線圈的常用材料，雖然銅線圈性能優(yōu)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(dǎo)材料線圈、超材料線圈等新材料的應(yīng)用，使無線電能傳輸系統(tǒng)的性能獲得提升，并在特殊環(huán)境條件下表現(xiàn)出銅線圈不具備的優(yōu)異傳輸特性。

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)諧振空腔WPT系統(tǒng)

圖6 微波傳輸型多負(fù)載WPT系統(tǒng)

（4）新型無線電能傳輸機(jī)理應(yīng)用

為解決感應(yīng)和諧振WPT技術(shù)的瓶頸問題，不僅需要進(jìn)一步完善理論分析，而且需要探索新型無線電能傳輸機(jī)理，如近年來興起的分?jǐn)?shù)階電路諧振WPT技術(shù)和宇稱時間對稱WPT技術(shù)。將這些新型傳輸機(jī)理運(yùn)用在多負(fù)載WPT系統(tǒng)中，將有望從原理上大幅度提升系統(tǒng)的傳輸性能。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報》，原文標(biāo)題為“多負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)”，作者為羅成鑫、丘東元、張波、肖文勛、陳艷峰。