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无线电力传输趋势
无线电力传输(WPT)由于其在为我们的日常生活提供高科技方面的潜力，一直吸引着各个领域的广泛研究，并成为一个非常活跃的研究领域。在不久的将来，无线电力传输将是强制性的，因为这种技术使电能从电源传输到电力负载时不需要连接电线就可以跨越气隙。本文对无线电力传输的现有技术、最新技术及其发展趋势进行了初步研究。此外，我们还描述了无线传输中的许多应用。
关键词:无线功率传输，电感耦合，Qi标准，A4WP，微波功率传输。
一、介绍
电能需要通过电线输送到配电线路。输电过程中的一个主要问题是输电导线和输电设备的能量耗散，导致电能在输配过程中发生损耗。随着需求的日益增加，发电量和损耗也随之增加。此外，发电的成本对环境是有害的。因此，降低传输损耗是非常关键的，因为节省的电力可以作为一种选择，以尽量降低成本。尽管在传输过程中不可避免地会出现功率损失，但可以通过解释一些替代方案来缓解这一问题。为了将配电网络中的电力损耗降到最低，无线电力传输已被认为是一种清洁能源。
无线充电是一种新颖的充电方式。然而，无线传输的概念，即使是充电电池也不是一个新的想法。它是由研究人员发明的，但尚未得到广泛实施。无线电力传输正在彻底改变电力传输模式，使数以百万计的日常电子设备能够可靠、高效地无线充电，无需借助电线[1]就能将电源集成到电力负载中。这种传动装置适用于互连线有危险或不方便使用的情况。
在早期，不同的科学家证明了在电源和设备之间没有物理连接的情况下传输电能的不同方法。每一种无线功率传输方式都有自己的特点和应用。为了使新研究人员熟悉这个概念，我们回顾了背景历史、最新技术和未来的进展。本文将简要概述并对潜在的无线电源技术在不同方面进行了比较。本文的结构安排如下。介绍之后，第二部分对无线功率传输进行了回顾。第三节详细介绍了无线输电的最新技术，第四节介绍了无线输电的一些应用。最后，第五部分给出结论。
二、无线电力传输(WPT)
无线电力传输，也被称为感应电力传输，可以用于短距离，甚至长距离没有电线。与以前的技术相比，该技术提供了高效、快速和低维护成本。它还允许便携式电子设备在不插入无处不在的电源线的情况下自动充电。另一方面，与有线输电相比，该技术的功率损耗非常小。无线电力传输的主要功能是使电力设备能够连续充电，而不受电源线的限制。WPT有三种主要的系统，如微波、谐振和太阳能电池。微波将被用来把电磁辐射从电源发送到电子设备的接收器。
交流电的创始人尼古拉·特斯拉是第一个对WPT进行实验的人。他的想法来自于地球本身是一个导体，它可以携带电荷穿过整个表面。虽然特斯拉的实验不是创造电力，而是传输电力，但他的想法可以用来解决我们的能源危机。每个应用程序都有其各自的缺点，但也有潜力帮助这个星球解决其迫切需要一种替代能源的问题。
今天，便携式技术已经成为日常生活的一部分。但便携性带来的另一个挑战是能源。几乎所有的便携式设备都是由电池供电的，这意味着最终它们都必须使用目前使用的有线充电器充电。现在，它不需要插入手机、PDA、数码相机、录音机、mp3播放器或笔记本电脑充电，而是可以无线接收[3]的能量。无线功率传输虽然是可行的，并且对人类的日常生活有一定的帮助，但是这种技术也存在一些缺点，即需要数百颗卫星组成的网络，并且会干扰其他电子设备。无线功率传输技术有近场技术和远场技术两种。一般来说，远场技术通过简单的模式测量和近场提供较低的频率传输技术具有更高的频率传输和完整的模式测量[4][6][28]。
近场技术是利用离电源较近的仪器进行测量。它可分为电磁辐射、电感耦合和磁谐振耦合三大类。这些技术可以用来消除由于天气和安全方面的问题。
1)电磁(EM)辐射:电源发射天线通过放射性电磁波向接收天线传输的能量是电磁辐射发射的过程。全向辐射和单向辐射，这两部分按发射能量的方向进行分类。通过全向辐射过程,广播电磁波通过发射机例如在分配的ISM波段850 - 950 MHz、902 - 928 MHz在美国既可以随不同地区915 MHz中心频率,和接收器例如RFID标签曲调相同的频带收获无线电能力[1]。在全向辐射中，虽然信息传输更容易、更合适，但由于距离越远电磁波衰减越快，能量传输效率问题也比较严重。实验发现，当接收机距离射频发射机30 cm时，功率传输效率仅为1.5%[1]。
此外，为了保护人类健康免受电磁辐射的潜在危害，只有在温度、湿度、光照等传感活动非常低的超低功耗传感器节点，如高达10mw的全向辐射才是合适的处理过程。如果在单向辐射过程中存在一个清晰的视距(LOS)路径，它可以获得更长距离的高功率传输，例如使用微波或激光束的距离可以是公里。在以微波为基础的系统中，无线功率主要是在ISM频段的2.45或5.8 GHz微波频率上传输的。在基于激光的系统中，它仍然被认为不如基于微波的系统成熟，例如在可见光或近红外频谱下传输功率从几个THz到几百个THz[1]。
2)电感耦合:电感耦合一般定义为谐振频率相同的LC电路之间的耦合。它是通过磁场感应,是自然的一部分电流通过导线的运动,例如交流电的初级线圈连接到源可以产生不同的磁场诱导的二次线圈端电压接收机。一次线圈和二次线圈是电感耦合中两个不同的线圈。由于其简单、方便、安全等优点，电感耦合已成为一种重要的、流行的无电线输电技术。随着这项技术的应用，各种电子设备已经做好了。因此，它已经成功地商业化到许多产品，包括电动牙刷，手机或笔记本电脑充电板，医疗植入物。在电感耦合中，当两线圈缓慢分离或两线圈排列不完全时，功率传递逐渐减小。这类问题通常发生在不小心使用的时候。当设备的充电节点与电源接收节点紧密接触时(通常小于线圈直径)效果最好，例如距离可以是厘米，充电方向必须对准。[1]
3)磁谐振耦合:在近场技术一节中，WPT技术的最后也是最重要的一类是磁谐振耦合。这项技术是由Kurs等人开发的，由于感应耦合和共振[1]的结合，使得两种不同物体之间的相互作用非常强烈。此外，能量会在线圈周围的磁场和电容器周围的电场之间来回移动。对于经典的机械共振，磁共振的作用是类似的，在这种情况下，当一根弦调谐到一定的音调时，如果它们的共振频率之间存在匹配，它可以被远处的声音发生器激发成振动。在这种技术、能源可以有效地从源线圈转移到接收线圈时只有很小的能量损失在初级线圈交流电(连接到源)产生一个变化的磁场,次级线圈端电压的接收机。电力变压器是一种良好的外部非共振物体。与电感耦合[1][5][7]相比，该技术具有效率高、辐射损耗小、范围广、方向性好等优点。
b .远场技术
远场技术是在远离电源的地方测量电力负荷。这些技术的目标是高功率传输和需要视线。它可以分为两大类，微波功率传输和激光功率传输[10]。
1)微波功率传输(MPT):该技术将高功率从基站传输到接收站或移动设备，且两个位置在视线范围内。该技术借助地球同步接收和发射卫星，使目标利用磁控管从基站获取能量。MPT提供了能量转换的效率，但在一个小的区域聚焦光束有点困难。此外，这项技术可以很容易地穿过大气层。电能传输的第一步是将电能转化为微波能量，然后利用rectenna捕获微波能量。在这项技术中，交流电不能直接转化为微波能量。因此，交流需要先转换成直流电(DC)，然后才是直流通过磁控管转换成微波。透射波在rectenna接收，然后更有效地将微波转化为电能。它将输出DC。在最后一步，DC将被转换回AC[11][13-16]。
2)激光功率传输:该技术与MPT略有不同，MPT利用镜面使功率集中在一个小区域。这种技术还能产生连贯而不分散的高功率。然而，激光技术在大气中传播时就会衰减。此外，这项技术已被应用于探测车，探索月球陨石坑底部是否存在冰，那里没有阳光。另一方面，由辐射产生的太阳能被转换成电能。接下来，这些能量将被转换成激光，然后传输给在陨石坑[2][12]底部工作的漫游者。
近年来，利用共振技术提高无线能量传输效率的应用范围越来越广。此外，电子公司正在开发电子产品的必要核心部件，以帮助加速将该技术引入利基应用领域。这将提高我们的创新能力，使技术发生更实质性的变化，以便在特定的任务中得到实施。其中一些革命性的应用已经投入市场，而另一些还没有准备好投入商业市场。例如，汽车充电是一项新的创新，但由于其充电基础设施需要标准化，因此无法进入市场。与此相反，一家财团公司已经开发出了一项针对移动电子领域传统感应充电的突破性创新。为了确保多供应商的产品可以在公共无线生态系统的任何地方充电，标准开发组织(sdo)正在努力构建移动设备中的互操作性标准，以实现高共振无线电力传输。所有这些努力都为无线电源技术的新趋势铺平了道路，在其中可以部署在许多应用。
这种技术使用小电感器在更高的频率上传输电能，并且最多支持几厘米的充电距离。因此，便携式设备必须非常具体地放置在码头上，以避免大磁场的不足。由于其充电面积的限制，Qi组件可以使用多个谐振器阵列来创建更大的充电面积。然而，它仍然没有缓解问题，甚至浪费了大量的电力，使个别线圈打开。因此，为了保持足够强的连接，用户需要将设备精确地对准[8][18]磁场。
目前，无线充电器可以在充电过程中获得热量，由于工作频率加热导电材料，会使设备背面升温。Qi标准还包括一个有限的通信协议，以限制多个线圈的功耗。有了这个功能，接收设备就可以告诉充电器它需要多少电量，什么时候充满电。此外，充电器可以修改其功率输出，以适应任何接收设备，并可以切换到待机模式，一旦设备完全充电或如果没有连接设备。尽管无线充电器的效率不如普通充电器，但Qi标准将在不久的将来被用于无线充电[21-24]。
B.无线电源技术联盟(A4WP)
A4WP是下一代无线电力传输技术，能够有效地将电力传输到电子设备。这是基于参考功率发射和接收谐振器不使用互连线[25]。该技术允许多个设备在同一时间从一个发射机中以不同的功率要求充电。由于这种技术使用更大的电磁场而不是小的电感线圈，因此它使设备无需精确地与线圈排列就能充电。虽然A4WP还没有投放市场，但该技术的存在使电子设备能够在包括z轴在内的任何位置充电。A4WP的另一个优势是允许充电器嵌入到物体中，这样磁场仍然可以从物体[19][26]中释放能量。
C. PMA技术
另一个最新的技术是Power Matters Alliance (PMA)。这个组织的目标是在一个全球性的、非营利性的行业中进行前瞻性思考，在这个行业中，使用无线充电技术的电池设备的更好的动力范例一直在与一群研究小组领导人合作。自2012年成立以来，PMA发展迅速。最近的使用率四、无线电力传输的应用
在无线电力传输领域，发射机和接收机之间的距离可以使梦想在人类生活的不同用途中实现，这将是近期研究的重点。应用取决于使用的低功耗设备，可以是无线传感器或不同的电子移动设备，功率范围(小于1W)和工业领域的大功率设备，功率范围(不超过3KW)。像led灯这样的设备，其供电直接与负载相连，可以定义为直接无线供电，不同的充电设备需要电池或电容充电，定义的无线充电可以是两种类型的实现系统[27]。
A.电子领域
无线充电系统最大的应用领域是电子产品，例如笔记本电脑，它使用的是插在软木塞板后面的无线电源。这种装置能提供20瓦以上的电力。它还可以在距离无线充电源超过40厘米的地方充电。源和器件谐振器相互垂直。分析人士预计，超距离充电和空间自由充电的好处，将导致到2020年，在所有无线充电系统中，高共振无线功率传输将占据80%以上的市场份额。能够从无线充电器充电的移动设备或智能手机也是这项技术的一大应用。同样，其他设备，如iPad或相机随时随地充电，甚至在公共场所(如图所示)，这种无线充电技术可以最大限度地利用人类的[8][17][22][23]。
b .医疗设备
无线电力传输已广泛应用于植入式医疗设备，包括LVAD心脏辅助泵、起搏器和输液泵。利用该技术，可以有效地为植入人体的医疗设备供电。此外，它还可以帮助消除对穿透人体的传动系统的需要，以及对外科手术更换原电池[9][17][25][27]的需要。
c .电动汽车
可充电混合动力和纯电动汽车可以直接使用无线充电系统。这些系统在20厘米的距离内提供3.3千瓦的高效率输出。利用该技术，可以在不需要电线的情况下，实现对电动汽车的可靠、高效的电力传输。此外，预计无线充电将大大改善电动汽车车主的充电体验，使这类汽车对消费者更具吸引力。
d . LED照明
通过在LED(发光二极管)灯中使用无线电力传输，我们可以直接使用无线电力为我们的设备充电，从而消除了在柜内任务照明中对电池的需求。此外，它还可以帮助建筑照明设计师创造产品，似乎漂浮在空中没有电源线[27]。
e .防御系统
为了提高电子设备无线充电的可靠性、工效学和安全性，国防系统设计人员正在为未来的国防技术创新设计。举个例子，Talon遥控机器人装备了无线充电装置，这样当它被卡车从一个地点运送到另一个地点时就可以充电。国防系统的另一个用途是头盔上的电子设备，其中包括夜视系统和无线电设备，可以从士兵背心上的电池组无线供电，从而省去了一次性电池或连接头盔和背心上电池组的电源线。过去几年来，一些标准开发组织和行业协会已开始进行有关无线电源应用和商业化的规范和标准的开发活动。
美国汽车工程师协会(SAE)有一个委员会，为电动汽车和混合动力汽车的无线充电制定建议，并最终制定标准汽车和公共汽车等交通工具。此外，在北美以外，其他国际组织(国际电工技术委员会或IEC)和国家组织(德国电气、电子和信息技术委员会和日本汽车研究所等)也在进行同样的工作，以开发更多的无线充电应用程序。来自[27]的消费者电子协会(CEA)正在积极开发一种标准，用于在消费者应用程序中部署无线电源技术。此外，已经成立了几个行业联盟来开发有关组件和系统的规范(例如最近的三个标准无线电源联盟(WPC)、电力事项联盟(PMA)和无线电源联盟(A4WP))。这
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