陳碩翼1，張麗1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　無線電能傳輸技術(shù)是一項(xiàng)前瞻性技術(shù)，也是當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)研究方向之一，被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)也將其列入十項(xiàng)引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)。本文對無線電能傳輸技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國的進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)與對策建議。

　　一、關(guān)于無線電能傳輸技術(shù)

　　無線電能傳輸(WPT)技術(shù)是一種基于非導(dǎo)線接觸方式，借助電磁波、微波等物理空間能量載體實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳輸至負(fù)載側(cè)的技術(shù)，具有隨時(shí)充電、無需插拔、無電氣接觸、安全可靠、支持多設(shè)備同時(shí)充電的特點(diǎn)，使得擺脫電纜的束縛成為可能，極大地增加為用電設(shè)備供電的便利性與靈活性。

　　WPT技術(shù)是一項(xiàng)前瞻性技術(shù)，也是當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)研究方向之一，涉及電磁場、電力電子、電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制、物理學(xué)、材料學(xué)、信息通訊等諸多學(xué)科領(lǐng)域。根據(jù)充電方式的不同，WPT技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)式(ICWPT)、磁耦合諧振式(MCRWPT)、微波方式(MWPT)等。

　　WPT技術(shù)將對現(xiàn)有充電模式產(chǎn)生革命性影響，極大提高電動(dòng)汽車、智能電力等裝備與裝置的使用靈活性、便捷性和可靠性，為電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、醫(yī)療器械、家用電器、航空航天等領(lǐng)域技術(shù)和裝備發(fā)展注入新動(dòng)力，更好地保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)能源互聯(lián)，提高能源利用效率和便利性，市場空間巨大。WPT技術(shù)被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)也將其列入十項(xiàng)引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　1. 美國

　　美國WPT技術(shù)發(fā)展較早，在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界均占據(jù)重要位置。

　　Fulton Innovation公司20世紀(jì)90年代末開始致力于消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等方面的eCoupled技術(shù)研究。2007年，麻省理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)2m距離60W功率傳輸，隨后創(chuàng)建的Witricity公司引領(lǐng)WPT技術(shù)新一輪熱潮，研制出3.7kW、7.7kW和11kW系統(tǒng)，提供適用各種汽車車型的解決方案。2011年，英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出無線供電人工心臟，傳輸效率超過90%。2012年，Duracell Powermat公司推出只需安裝在電池上的手機(jī)無線充電卡片。Powermat公司推出桌面式等多種充電板，2014年與星巴克合作在全美提供無線充電服務(wù)。2016年，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室成功測試20kW無線充電系統(tǒng)，效率達(dá)90%。

　　2. 日本

　　日本W(wǎng)PT技術(shù)發(fā)展主要依靠企業(yè)，在主要領(lǐng)域都布局了較充足科研力量。

　　2011年，松下推出內(nèi)置太陽能板桌子，其桌邊是無線充電墊，可為移動(dòng)設(shè)備供電;2014年，日產(chǎn)開發(fā)了基于WPT的魔方電動(dòng)汽車，單臺(tái)充電設(shè)備額定輸出功率10kW;2015年，三菱重工實(shí)驗(yàn)MWPT技術(shù)，最大傳輸功率10kW、最遠(yuǎn)送電距離500米，旨在驗(yàn)證空間太陽能發(fā)電技術(shù)的可行性，目標(biāo)是2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，2030—2040年實(shí)現(xiàn)向地面輸電。

　　3. 德國

　　德國WPT技術(shù)發(fā)展較迅速。1997年，Wampfler公司與新西蘭奧克蘭大學(xué)聯(lián)合，首次建成WPT技術(shù)定軌觀光車輛，同時(shí)期還研制了約400m長150kW載人軌道車，是當(dāng)時(shí)最大ICWPT系統(tǒng)。龐巴迪公司2009年研發(fā)無線充電系統(tǒng)PRIMOVE，2013年應(yīng)用在純電動(dòng)巴士，截至2015年底已在德多個(gè)城市開通商業(yè)線路，運(yùn)行里程累計(jì)超過12.5萬公里，最高充電功率可達(dá)400kW。2016年，龐巴迪PRIMOVE公司與青島中德生態(tài)園簽約共建實(shí)驗(yàn)線項(xiàng)目，是亞洲首條功率高達(dá)200kW的無線快充巴士公交線路。

　　4. 韓國

　　韓國WPT技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)成果最為顯著，主要研究電動(dòng)車輛動(dòng)力和電源，處于On-Line Electric Vehicle(OLEV)領(lǐng)域世界領(lǐng)先地位。2010年，KAIST在“首爾大公園”試運(yùn)行OLEV有軌電車，2.2km路線中共設(shè)置372.5m供電區(qū)，130mm線圈間隙時(shí)效率為74%，可實(shí)現(xiàn)60kW功率輸出。2015年，建立龜尾市12公里電動(dòng)巴士動(dòng)態(tài)供電示范工程，工作頻率20kHz、充電功率100kW/200kW，整體效率最高達(dá)85%。

　　5. 法國

　　法國WPT技術(shù)研究主要聚焦MWPT技術(shù)。法國國家科學(xué)研究中心2001年利用微波技術(shù)點(diǎn)亮40米外的200瓦燈泡，2003年在法屬留尼汪島上建造了10萬kW微波輸電試驗(yàn)裝置，以2.45GHz頻率向近1km距離的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線供電。

　　綜合來看，WPT技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)的主要是美、日、德、韓、法和中國等國家。美、日、德發(fā)展較早，在智能電子、電動(dòng)車輛、電力傳輸?shù)戎饕獞?yīng)用領(lǐng)域都有較大影響。韓國起步較晚，但已經(jīng)在電動(dòng)車輛領(lǐng)域占據(jù)一席之地。法國聚焦MWPT技術(shù)研究，但近幾年進(jìn)展比較緩慢。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　我國本世紀(jì)初才開始WPT技術(shù)研究工作，但進(jìn)展迅速。我國WPT技術(shù)研究主要是東南大學(xué)、武漢大學(xué)、重慶大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所及中興公司等單位。

　　1. 技術(shù)研究

　　東南大學(xué)研究了MCRWPT技術(shù)理論，提出電動(dòng)汽車無線充電最小接入技術(shù)，以及電壓與功率在線控制策略等，研制了系列設(shè)備。2013年研制成功電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，30cm傳輸距離內(nèi)可實(shí)現(xiàn)3kW功率輸出。同時(shí)開展了三維供電、無人機(jī)供電等領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用工作。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)2013年成功研制20cm空氣隙下傳輸4kW的實(shí)驗(yàn)裝置。武漢大學(xué)研究了WPT高壓輸電線路取能技術(shù)，于2014年研制了樣機(jī)，并在10kV和35kV配線上試運(yùn)行。

　　重慶大學(xué)研究了ICWPT技術(shù)基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用，2015年完成電動(dòng)車動(dòng)態(tài)無線供電示范系統(tǒng)，軌道總長50m，軌道平面與車載拾取機(jī)構(gòu)最佳垂直距離40cm，最大輸出功率30kW，行進(jìn)過程供電效率達(dá)75%～90%。

　　天津工業(yè)大學(xué)2013年提出高速列車WPT技術(shù)，搭建了無線充電模型。四川大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院開展了空間太陽能電站MWPT和激光WPT技術(shù)研究。

　　華南理工大學(xué)主要研究WPT系統(tǒng)效率最大化和負(fù)載匹配。中國科學(xué)院電工研究所2014年研制出定點(diǎn)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)20cm傳輸距離下3.3kW功率輸出。

　　2. 產(chǎn)業(yè)化

　　中興通訊研發(fā)出汽車用大功率無線充電系列產(chǎn)品，已在大理、鄭州、成都等多條無線充電公交線路使用。海爾無線產(chǎn)品涵蓋家電、數(shù)碼、汽車等多個(gè)領(lǐng)域，2014年起與多家公司合作鋪設(shè)中國公共無線充電熱點(diǎn)。中惠創(chuàng)智可提供無尾廚電、無線充電機(jī)器人和移動(dòng)設(shè)備等多種無線充電解決方案。

　　我國WPT技術(shù)研究主要集中在電動(dòng)汽車、智能電子、電力傳輸、高速列車等領(lǐng)域，理論層面已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，部分研究成果世界領(lǐng)先，但工程實(shí)踐相對較少，產(chǎn)業(yè)化與國外還有差距。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)

　　WPT技術(shù)在交通運(yùn)輸、工業(yè)應(yīng)用、智能家居(消費(fèi)電子)、植入醫(yī)療及空間太陽能等領(lǐng)域，都具有極高發(fā)展?jié)摿途薮笫袌銮熬?。在科技部的支持下，“十二五”期間，我國相繼開展了電動(dòng)汽車無線充電放電技術(shù)、植入式醫(yī)療系統(tǒng)無線能量傳輸技術(shù)、無線攜能通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等研究?？偨Y(jié)分析WPT技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，我國應(yīng)著重發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)體系、工程實(shí)用化核心關(guān)鍵技術(shù)等WPT技術(shù)重點(diǎn)方向。

　　1. WPT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

　　國際無線充電標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)盟主要是無線充電聯(lián)盟(WPC)Qi標(biāo)準(zhǔn)、AirFuel Alliance標(biāo)準(zhǔn)、美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61980標(biāo)準(zhǔn)。我國產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程與國際差距巨大，暫未形成有影響力的聯(lián)盟，雖已開始制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但尚未正式提出。我國急需成立有影響力的聯(lián)盟，促進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)落地實(shí)施。

　　2. WPT系統(tǒng)工程實(shí)用化核心關(guān)鍵技術(shù)研究

　　我國WPT技術(shù)基礎(chǔ)理論研究已取得一定成果，開發(fā)了一些概念化、示范化產(chǎn)品與工程，但尚有走向應(yīng)用的大量核心關(guān)鍵技術(shù)需要攻克，如變參數(shù)條件下WPT系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題、智能一體化的WPT系統(tǒng)檢測和控制技術(shù)等。

　　3. 無線充電電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)高度融合協(xié)作解決方案和實(shí)踐工程

　　2012年，國務(wù)院印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2010—2020)》，加快培育和發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)。根據(jù)相關(guān)研究，預(yù)計(jì)2030年我國電動(dòng)車保有量將達(dá)6000萬輛，按每輛充電功率10kW計(jì)算，其容量將占2030年電力裝機(jī)總量的26%。研究基于智能電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)控的電動(dòng)車WPT技術(shù)、公路網(wǎng)與電力網(wǎng)統(tǒng)籌調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)交互能力的無線充電電動(dòng)車與智能電網(wǎng)智能聯(lián)合互動(dòng)，可發(fā)揮電動(dòng)車的削峰填谷作用，有效平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，避免無序充電可能對電網(wǎng)產(chǎn)生的極大沖擊。

　　4. 微波定向WPT技術(shù)及應(yīng)用研究

　　微波定向WPT技術(shù)可使空間太陽能電站電能高效率輸送到地面，其研究主要包括提升空間大功率微波能量傳輸效率，優(yōu)化大功率微波WPT系統(tǒng)，突破高效率大功率微波器件、超大口徑高效率發(fā)射天線、大型天線波束控制及高效率地面接收等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間超大功率、遠(yuǎn)距離、高效無線電能傳輸。

　　5. 電氣化軌道交通WPT系統(tǒng)工程應(yīng)用技術(shù)研究

　　國外已建有軌道交通無線供電示范工程，我國還沒有整套的工程性解決方案。結(jié)合高鐵大發(fā)展國家戰(zhàn)略，我國應(yīng)研制大功率高功率密度初級電能變換裝置，研究系統(tǒng)冗余、容錯(cuò)、異物和活物檢測技術(shù)，探索工程建設(shè)可靠方案，推進(jìn)示范性工程建設(shè)。

　　6. 智能電網(wǎng)領(lǐng)域WPT技術(shù)應(yīng)用研究

　　主要研究變電站智能巡檢機(jī)器人靜態(tài)和動(dòng)態(tài)WPT技術(shù)、可穿戴巡檢設(shè)備定向WPT技術(shù)等，并著力研究基于EF類功放的高效高頻電源、動(dòng)靜態(tài)供能模式下的磁能導(dǎo)向機(jī)理分析及耗能優(yōu)化方法等，為示范應(yīng)用提供技術(shù)保障。

　　7. WPT技術(shù)低成本工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

　　低成本化是WPT技術(shù)大發(fā)展的前提，需著力研究適用參數(shù)變化魯棒性的能量耦合器、低成本特定或復(fù)合功能的能量激發(fā)裝置等關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備，打造健康發(fā)展的全產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)WPT系統(tǒng)整體解決方案與工程實(shí)踐低成本化。

　　8. WPT系統(tǒng)電磁安全檢測評價(jià)體系及屏蔽技術(shù)研究

　　無線電能傳輸高場強(qiáng)值特性和電磁泄露可能引起的電磁污染、干擾等問題，限制了WPT技術(shù)的推廣應(yīng)用，亟需建立涵蓋多頻段、多應(yīng)用環(huán)境、多功率等級的電磁環(huán)境檢測評價(jià)體系，研究屏蔽技術(shù)，解決電磁環(huán)境安全性問題，為大規(guī)模應(yīng)用提供有力保障。

　　9. 電磁超材料應(yīng)用技術(shù)研究

　　受限收發(fā)線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，WPT系統(tǒng)空間磁場會(huì)出現(xiàn)衰減過快、分布不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致傳輸距離短、效率低、穩(wěn)定性差等問題。電磁超材料具有負(fù)折射、超吸收、光學(xué)隱身等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究加載超材料對WPT系統(tǒng)整體電磁環(huán)境和傳輸特性的影響規(guī)律、聚焦型超材料與屏蔽型超材料加載方式對無線輸電效率提升的效果等理論，探索加載電磁超材料后WPT系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、實(shí)踐方案，對于提升系統(tǒng)性能具有重要意義。

　　五、對策建議

　　1. 加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和完善

　　技術(shù)規(guī)?；l(fā)展離不開標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)行，標(biāo)準(zhǔn)體系不健全是推進(jìn)WPT技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化首要且迫切需要解決的問題?，F(xiàn)階段急需解決“無標(biāo)可依”問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性、供電便捷性。

　　2. 完善學(xué)科體系建設(shè)和人才培養(yǎng)

　　WPT技術(shù)涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域，須加強(qiáng)自身創(chuàng)新能力，建設(shè)WPT技術(shù)新興學(xué)科，注重人才培養(yǎng)與儲(chǔ)備，培養(yǎng)強(qiáng)學(xué)科交叉的復(fù)合型人才、高端人才、領(lǐng)軍人才，夯實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)可靠發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程與國際接軌。

　　3. 構(gòu)建高水準(zhǔn)研發(fā)平臺(tái)

　　大力推進(jìn)WPT技術(shù)研發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，整合優(yōu)勢研發(fā)群體，組建“國家協(xié)同中心”“國家工程中心”或“國家實(shí)驗(yàn)室”，構(gòu)建我國WPT技術(shù)高水準(zhǔn)研發(fā)平臺(tái)，促進(jìn)自主知識與核心關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展。

　　4. 推進(jìn)WPT技術(shù)與國家重點(diǎn)計(jì)劃結(jié)合

　　政府引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界通力合作，攻克關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)電動(dòng)汽車WPT技術(shù)納入國家新能源汽車戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)無線輸電與智能電網(wǎng)和新能源車協(xié)同發(fā)展;將智能電力監(jiān)測設(shè)備無線供電納入國家智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，超前研制建設(shè)電動(dòng)車無線充電樁(站)和智能電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備無線供電系統(tǒng)。

　　5. 發(fā)揮政府導(dǎo)向作用

　　強(qiáng)化政府主導(dǎo)力量，在產(chǎn)業(yè)化初期給予政策性引領(lǐng)，并從國家科研項(xiàng)目等方面加大支持力度，通過制定WPT產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等，鼓勵(lì)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有機(jī)合作，積極創(chuàng)新和研發(fā)，共同促進(jìn)WPT技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。東南大學(xué)黃學(xué)良教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云