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無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)憑借其靈活、可靠、便捷的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近些年在科研與商業(yè)領(lǐng)域都取得了諸多成果。目前無線電能傳輸系統(tǒng)形成了以電磁波為主要載體的兩大技術(shù)類別：①近場(chǎng)電磁耦合式（Near-field Magnetic Coupling, NMC）：分為電場(chǎng)耦合與磁場(chǎng)耦合；②遠(yuǎn)場(chǎng)射頻式（Far-field Radio Frequency, FRF）：包括微波、毫米波、激光等。

其中尤以近場(chǎng)電磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)最為成熟，在各種不利于進(jìn)行有線電能傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景中擁有廣闊的發(fā)展前景，包括植入醫(yī)學(xué)設(shè)備、移動(dòng)便攜終端、井下勘探設(shè)施、水下自主機(jī)器、電動(dòng)汽車等。而遠(yuǎn)場(chǎng)射頻式無線電能傳輸技術(shù)以及基于其他媒介（超聲波等）的無線電能傳輸技術(shù)受限于能量傳輸功率與轉(zhuǎn)化效率，導(dǎo)致研究與應(yīng)用都較少。

成熟可靠的商用無線電能傳輸系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)電能與信息同步傳輸系統(tǒng)。電能與信息同步傳輸（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer, SWPIT）系統(tǒng)如圖1所示，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，無線電能傳輸系統(tǒng)為保證能量高效穩(wěn)定地從電能發(fā)射端傳輸至負(fù)載接收端，同時(shí)負(fù)載模塊采集的功能數(shù)據(jù)能高速可靠地反饋至電能發(fā)射側(cè)，電能發(fā)射端與負(fù)載接收端不僅需要進(jìn)行能量傳輸，也需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖1 電能與信息同時(shí)傳輸系統(tǒng)

總體而言，電能與信息同步傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信內(nèi)容可概括為兩大類：①電能傳輸控制數(shù)據(jù)：包括接收側(cè)電壓、電流、功率的大小等，主要用于系統(tǒng)的閉環(huán)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、最大效率/功率跟蹤控制等；②系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)：與系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的功能與用途有關(guān)，如發(fā)射端發(fā)送的功能控制命令、接收端傳感器采集的反饋工作數(shù)據(jù)等。研究如何在電能發(fā)射端與接收端之間同時(shí)建立穩(wěn)定可靠的無線能量傳輸通道與數(shù)據(jù)通信鏈路，是十分必要且有意義的。

表1 MC-SWPIT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)缺點(diǎn)比較

未來近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸技術(shù)（Magnetic Coupling SWPIT, MC-SWPIT）將朝著高速通信與高效傳能的方向發(fā)展，并進(jìn)一步拓寬其有效工作范圍。伴隨著半導(dǎo)體與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的能量傳輸功率可從mW級(jí)升至kW級(jí)，通信速率可從kbit/s升至Mbit/s級(jí)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的高度集成化與小型化，深刻嵌入現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸技術(shù)的進(jìn)一步完善與成熟，有望在以下多個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用：

（1）無線能量傳輸加密：能量作為一種有價(jià)資源在傳輸時(shí)不能被未授權(quán)的負(fù)載隨意獲取。為防止無線電能在傳輸過程中被非法竊取，必須進(jìn)行加密傳輸并對(duì)負(fù)載進(jìn)行識(shí)別，只有擁有無線能量接收許可密匙的合法負(fù)載才能接入系統(tǒng)。近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別與能量傳輸加密，只有能進(jìn)行正確應(yīng)答的負(fù)載才能獲取能量；否則，電能發(fā)射端可以拒絕進(jìn)行能量傳輸以保證能量安全。

（2）無線能量路由網(wǎng)絡(luò)：未來隨著無線電能傳輸?shù)钠占?，無線電能系統(tǒng)可構(gòu)成多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）無線能源網(wǎng)絡(luò)，因此功率分配尤為重要。接入該無線能源網(wǎng)絡(luò)的電能發(fā)射源或負(fù)載必須按需發(fā)射或接收能量，滿足不同電源出力以及負(fù)載的供能要求。近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端可構(gòu)成能量路由器，所自帶的通信功能可完成能量供給與需求通信，從而構(gòu)建無線能源網(wǎng)絡(luò)并按需供給與分配電能資源。

（3）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電：未來物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）設(shè)備將在智能家居中扮演不可或缺的角色，而其擁有諸多傳感器且需連續(xù)工作。近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)攜能通信，有效延長(zhǎng)傳感器的在線工作時(shí)間并降低其維護(hù)成本。

（4）生物組織植入設(shè)備：對(duì)于視網(wǎng)膜假體、胃鏡、精準(zhǔn)送藥機(jī)器人等植入人體組織的設(shè)備而言，通常不易采取有線供電。近場(chǎng)磁耦合能量與信息同步傳輸技術(shù)可有效提高這些醫(yī)學(xué)植入設(shè)備的使用便攜性與工作時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)并減少痛苦。

本文編自2022年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“近場(chǎng)磁耦合無線電能與信息同步傳輸技術(shù)的發(fā)展（下篇）：電路拓?fù)洹?，作者為華南理工大學(xué)電力學(xué)院的李建國(guó)、張波、榮超。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。