文 献 综 述

一、课题研究背景及意义

随着科技的发展，电子技术在生活中的应用越来越广泛。然而，无论是小到诸如电动牙刷，手机，MP3，还是大到电动汽车，电力机车，这些设备都离不开供电系统的支持。目前的用电设备，都是以金属导线的方式传输电力。冗长的供电线缆，带来使用和携带上的不便。在一些诸如潮湿，易燃易爆等特殊环境下，带电金属导体接触产生火花可能引发危险。无线电能传输技术（Wireless Power Transmission，WPT），是通过非金属接触的方式传输电力，摆脱了传统的供电方式的局限。并且，在一些特殊的应用环境下，无线电能传输技术还有其独特的优势。例如，利用规范化的无线充电设备，可以实现为多种不同的用电设备同时充电，这不仅方便了人们的生活，而且节约了大量的成本^[1~3]。

作为当前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，无线电能传输技术涵盖电磁场、电力系统、控制技术、电力电子技术、材料学、物理学和信息技术等诸多方面，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域^[4]。同时，无线电能传输技术能够有效地克服传统供电方式存在的各种缺陷，实现了电气设备的无线供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景^[5]。

二、无线电能传输技术的发展

无线电能传输并不是一个新奇的概念，早在1890年，现代交流系统的奠基者#8212;#8212;尼古拉特斯拉（Nikola Tesla），就设计了一个宏大的无线电能传输计划。特斯拉的构想是：将距地球表面约60kM的电离层作为外导体，整个地球作为内导体，通过大功率的发射机以径向发射电磁波，在地球和电离层之间产生8Hz的低频共振电磁波，实现全球化的无线供电。特斯拉建成一座高达187英尺的铁塔，开始进行相关研究工作。但由于后续资金的问题，研究并未取得实际成果^[6~8]。

在这之后，古博（Goubau）、施瓦固（Sohweing）等研究人员继续对无线电能传输理论进行研究，其理论计算表明空间波束导播传输的效率几乎可以达到100%，并在反射波束导播系统上验证了该理论^[9]。

20世纪20年代，日本的H.Yagi和S.Uda发明了八木-宇田天线，阐述了无线供电的可行性。直到20世纪60年代，随着大功率，高效率的微波真空管研制成功，无线电能传输才由概念变为现实。雷声公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）设计了一种半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微波能量转换为了直流电，微波-直流的转换效率只有54%。1975年，美国宇航局开始了无线电能地面试验计划，将30kW的微波传送了1.6km，微波-直流转换效率达到83%，1991年，ARCO电力公司使用35GHz的毫米波，转化效率提升到72%。

20世纪70年代，利用电磁感应原理进行无线充电的电动牙刷已经出现，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪80年代提出了感应耦合用于长距离电能传输的新方法。20世纪90年代初，新西兰奥克兰大学（The University of Auckland，New Zealand）的电气工程系功率电子学研究中心，针对设备在恶劣环境下的供电问题，开始研究利用感应耦合供电的方法。经过十多年的努力，研究获得重要成果，已经部分投入实用。

进入21世纪以后，无线电能传输技术的发展越来越迅速，各个电子设备厂商纷纷拿出自己的无线电能传输方案。2006年，麻省理工学院（MIT）的一个研究小组，提出一种新型的磁谐振耦合式（WiTricty）无线电能传输技术。该小组于2007年，通过两个在10MHz频率谐振的线圈，成功的点亮了一个距离电源2m的白炽灯泡。2008年8月的英特尔开发者论坛上，西雅图实验室的研究小组再次展示了这一技术。他们点亮了一只1m以外的60灯泡，并且无线传输的效率达到75%。2009年，微软CEO史蒂夫鲍尔默（Steve Ballmer）在Windows 7的发布会上，向公众展示了微软自己的无线供电技术^[10~13]。