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多負載無線電能傳輸技術(shù)是近年來研究熱點之一，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)截撦d，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亮一盞燈，標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，單負載WPT系統(tǒng)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(tǒng)的利用率較低；②位置敏感，感應(yīng)式或諧振式單負載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，多負載WPT成為近年來無線電能傳輸技術(shù)的研究熱點之一。多負載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載均能接收電能。隨著多負載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、機場、咖啡廳等公共場所，顯然，多負載WPT系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣闊。

在實際的多負載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，且負載所需能量存在差異。因此，多負載WPT系統(tǒng)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(tǒng)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(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(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，多負載WPT系統(tǒng)將獲得更大的發(fā)展。

圖1 多負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）電壓負載無關(guān)與負載隔離技術(shù)

多負載WPT系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，各個接收設(shè)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(xiàn)電壓負載無關(guān)或負載隔離是多負載WPT系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

目前實現(xiàn)電壓負載無關(guān)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(qū)動發(fā)射線圈，但如果只是部分負載發(fā)生變化，那么調(diào)整電源將導(dǎo)致所有負載都受影響；
• ②在發(fā)射端和接收端單獨或同時增加補償電路，但隨著負載數(shù)量的增加，需要大量的補償電路，使系統(tǒng)過于繁瑣；
• ③使用多頻率負載隔離技術(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，未來可進一步探索新的控制算法在多負載WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖3 單導(dǎo)線立體線圈型多負載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，負載的空間位置具有任意性，因此，全方向多負載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)備進行無線充電。

圖4 亥姆霍茲線圈型多負載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 準靜態(tài)諧振空腔WPT系統(tǒng)

圖6 微波傳輸型多負載WPT系統(tǒng)

（4）新型無線電能傳輸機理應(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(shù)階電路諧振WPT技術(shù)和宇稱時間對稱WPT技術(shù)。將這些新型傳輸機理運用在多負載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》，原文標題為“多負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。