文 献 综 述
- 前言
电能的无线传输技术克服了传统电缆线容易产生火花以及电路老化等不安全因素，也能够极大的提升设备使用的便携性，因此无线电能传输技术具有非常广阔的应用前景和应用范围。其中，电磁感应这一方式实现的无线充电技术传输距离较短，传输功率不高，使其难以普及。2007年麻省理工学院(MIT)科学家利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2m外将一个60W的灯泡成功点亮，并且传输效率能达到40%左右。这一突破性的技术能在中等距离的空间内实现较高的电能传输效率和功率，并且不会受到空间非磁性障碍物的影响。此技术非常适用于电动汽车的技术需求，能较好地解决电动汽车的充电问题。
- 正文
磁耦合谐振式的无线充电技术已经有了很大的发展，但目前在许多方面还能做更多的研究和改进。
磁场谐振耦合式的无线电力传输装置模型主要是由高频电源、发射天线、接收天线、负载组成。发射装置与接收装置实为两个具有相同结构的天线。发射天线中感应得到交变电流，在其周围产生同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈通过建立耦合关系，从而实现电能由发射装置到接收装置的传输[1]。
在影响电能传输性能的因素中，发射及接收线圈的匝数、半径、绕制方式因素都是非常重要的，增加线圈匝数可提高线圈的负载接收功率，而选择最优化线圈匝数及采用半径略大或略小于其他线圈的接收谐振器可提高系统的传输效率[2]。同时线圈需要合适的绕制方式，以达到较好的磁场聚集度和尽量高的谐振频率以增加自身的品质因数，同时还需要考虑本身电路参数的约束和线圈结构的影响[3]。通过改变线圈间的互感以及线圈的内阻同样能够有效地提高系统转化的效率，而线圈的互感决定了系统间的耦合系数[4]。但匝数并不是越多越好，匝数增加，线圈间互感不一定增加，但肯定会导致内阻不断增大[5]。在一定范围内，发射线圈与接收线圈间耦合系数的提升能够提高传输的功率，但耦合系数也并不是越高越好，而是存在一优化值[6]，在这一取值下能够获得最大传输功率。并且系统的最大传输功率和最大传输效率并不是在同一耦合系数下取得，设计系统使其在恒定的最大功率/最大效率下传输，以及适应使用的需求在最大功率或最大效率之间进行切换，都具有非常重要的实用价值。同时，在互感值不变的条件下，适当加大线圈半径，能增加传输距离，从而提高无线充电装置的能量传输性能[7]。此外，谐振频率也是需要考虑的重要因素，当线圈和谐振频率固定时，可得到随传输距离变化的负载功率、传输效率、电源端电流等特性[8]。而在系统实际工作时，由于负载的变化导致次级回路反射到初级回路的阻抗发生变化，从而导致初级谐振电路的固有频率发生变化。需对系统进行动态调谐，使系统的工作频率保持稳定，才能保证最大传输功率效率和系统工作稳定[9]。由于发射线圈和接收线圈之间没有有线连接，如何实时监测频率变化[10]，保证系统的稳定性是非常重要的一个环节[11]。
而具体到电动汽车的无线充电技术，仍然有许多的问题有待解决。电动汽车的无线充电方式有静态充电和动态充电两种。静态无线充电只需将车开到指定区域，便可自动实现无线充电，它能在一定程度上解决充电的安全性和方便性的问题。由于双边绕组[12]结构会有磁场泄漏，系统效率不高，目前应用较少。而单边绕组中应用较为广泛的是平面螺线圈结构，为应对电动汽车在停车时若便宜特定距离产生的零点问题，提升抗偏移能力，外国学者有提出DD线圈结构和大小线圈结构，能较好地提升传输线圈的抗偏移能力[13]。但电动汽车静态无线充电仍然存在着需停车充电、充电时间长、充电频繁等问题，并且由于目前电池技术发展的限制，电池的能量密度还不及传统的汽油等化石燃料，电池组成本高昂、笨重、续航里程不够理想，电动汽车动态无线充电技术能较好地解决这些问题。动态充电即电动汽车无需装载电池组或无需较高容量电池组，汽车在行驶过程中充电，也能降低汽车质量，提高能量转化效率。新西兰奥克兰大学与德国康稳公司研制出了世界上第一台无线充电大巴，韩国高等科学技术学院研制出的采用动态无线供电技术的电动公交已投入运营，国内很多研究机构也对此技术进行了很多研究。但动态无线充电技术仍有线路铺设成本较高、适用范围有限制、汽车运行过程中充电的稳定性和安全性有待提升[14]。
在无线充电的实际应用过程中，需要考虑无线充电系统对周围环境的友好性和系统对周围环境的适应性。充电系统在运行时会在传输线圈周边区域激发产生高频交变磁场，因此需要评估电磁辐射对周围生命体和电子设备的影响。电磁波能够被应用于疾病治疗，同时其对人和其他生物体的潜在影响也需要关注。通过建立磁共振式无线电能传输的系统模型和暴露在该系统环境中的人体解剖模型[15]，比较国内外有关标准，探究磁共振式无线充电技术在应用过程中对人体的影响。但由于共振工作状态和非共振工作状态下电磁场的差别、实际电源侧的激励信号可能含有方波、三角波等高次谐波以及线圈的相对位置对人体的不同影响，导致这一问题的研究具有复杂性，而电磁辐射对人体的长期影响也需要长期持续性的研究。另外，无线充电系统在实际应用中难免会受到铁质物质的影响。通过建立仿真模型，探究不同位置、大小、形状的铁质物质引起的系统传输效率的改变和温升以研究铁质物质对系统的影响，以及系统的抗干扰能力。
三、小结
磁耦合谐振式无线充电技术是近几年受到广泛关注的新兴技术，电动汽车的无线充电技术具有广泛的应用前景，能解决当下电动汽车发展过程中的诸多痛点。技术在发展中也需要不断的完善，仍存在许多问题需要探讨和解决。相信在不久的将来，此技术能得到更广泛的应用和推广。
[1]黄辉,黄学良,谭林林,等.基于磁场共振的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术,2011,30(1):32-35.
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