科技中国杂志

无线电能传输技术发展现状与趋势

来源:《科技中国》2018年第七期p7-10

日期:2018-07-11

  陈硕翼1,张丽1,唐明生2,李建福3

  (1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院理化技术研究所;3.北京鉴衡认证中心有限公司)

  无线电能传输技术是一项前瞻性技术,也是当前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一,被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一,中国科学技术协会也将其列入十项引领未来的科学技术。本文对无线电能传输技术国内外发展现状与趋势进行了梳理分析,并提出了我国的进一步发展重点与对策建议。

  一、关于无线电能传输技术

  无线电能传输(WPT)技术是一种基于非导线接触方式,借助电磁波、微波等物理空间能量载体实现电能由电源侧传输至负载侧的技术,具有随时充电、无需插拔、无电气接触、安全可靠、支持多设备同时充电的特点,使得摆脱电缆的束缚成为可能,极大地增加为用电设备供电的便利性与灵活性。

  WPT技术是一项前瞻性技术,也是当前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一,涉及电磁场、电力电子、电力系统、自动控制、物理学、材料学、信息通讯等诸多学科领域。根据充电方式的不同,WPT技术主要分为电磁感应式(ICWPT)、磁耦合谐振式(MCRWPT)、微波方式(MWPT)等。

  WPT技术将对现有充电模式产生革命性影响,极大提高电动汽车、智能电力等装备与装置的使用灵活性、便捷性和可靠性,为电动汽车、智能电网、医疗器械、家用电器、航空航天等领域技术和装备发展注入新动力,更好地保障电网安全稳定运行,促进能源互联,提高能源利用效率和便利性,市场空间巨大。WPT技术被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一,中国科学技术协会也将其列入十项引领未来的科学技术。

  二、国际发展现状与趋势

  1. 美国

  美国WPT技术发展较早,在学术和产业界均占据重要位置。

  Fulton Innovation公司20世纪90年代末开始致力于消费电子、医疗设备、家用电器等方面的eCoupled技术研究。2007年,麻省理工学院实现2m距离60W功率传输,随后创建的Witricity公司引领WPT技术新一轮热潮,研制出3.7kW、7.7kW和11kW系统,提供适用各种汽车车型的解决方案。2011年,英特尔西雅图实验室开发出无线供电人工心脏,传输效率超过90%。2012年,Duracell Powermat公司推出只需安装在电池上的手机无线充电卡片。Powermat公司推出桌面式等多种充电板,2014年与星巴克合作在全美提供无线充电服务。2016年,橡树岭国家实验室成功测试20kW无线充电系统,效率达90%。

  2. 日本

  日本WPT技术发展主要依靠企业,在主要领域都布局了较充足科研力量。

  2011年,松下推出内置太阳能板桌子,其桌边是无线充电垫,可为移动设备供电;2014年,日产开发了基于WPT的魔方电动汽车,单台充电设备额定输出功率10kW;2015年,三菱重工实验MWPT技术,最大传输功率10kW、最远送电距离500米,旨在验证空间太阳能发电技术的可行性,目标是2020年实现商业化,2030—2040年实现向地面输电。

  3. 德国

  德国WPT技术发展较迅速。1997年,Wampfler公司与新西兰奥克兰大学联合,首次建成WPT技术定轨观光车辆,同时期还研制了约400m长150kW载人轨道车,是当时最大ICWPT系统。庞巴迪公司2009年研发无线充电系统PRIMOVE,2013年应用在纯电动巴士,截至2015年底已在德多个城市开通商业线路,运行里程累计超过12.5万公里,最高充电功率可达400kW。2016年,庞巴迪PRIMOVE公司与青岛中德生态园签约共建实验线项目,是亚洲首条功率高达200kW的无线快充巴士公交线路。

  4. 韩国

  韩国WPT技术起步较晚,但发展迅速。韩国科学技术院(KAIST)成果最为显著,主要研究电动车辆动力和电源,处于On-Line Electric Vehicle(OLEV)领域世界领先地位。2010年,KAIST在“首尔大公园”试运行OLEV有轨电车,2.2km路线中共设置372.5m供电区,130mm线圈间隙时效率为74%,可实现60kW功率输出。2015年,建立龟尾市12公里电动巴士动态供电示范工程,工作频率20kHz、充电功率100kW/200kW,整体效率最高达85%。

  5. 法国

  法国WPT技术研究主要聚焦MWPT技术。法国国家科学研究中心2001年利用微波技术点亮40米外的200瓦灯泡,2003年在法属留尼汪岛上建造了10万kW微波输电试验装置,以2.45GHz频率向近1km距离的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

  综合来看,WPT技术实力最强的主要是美、日、德、韩、法和中国等国家。美、日、德发展较早,在智能电子、电动车辆、电力传输等主要应用领域都有较大影响。韩国起步较晚,但已经在电动车辆领域占据一席之地。法国聚焦MWPT技术研究,但近几年进展比较缓慢。

  三、我国发展现状与水平

  我国本世纪初才开始WPT技术研究工作,但进展迅速。我国WPT技术研究主要是东南大学、武汉大学、重庆大学、中国科学院电工研究所及中兴公司等单位。

  1. 技术研究

  东南大学研究了MCRWPT技术理论,提出电动汽车无线充电最小接入技术,以及电压与功率在线控制策略等,研制了系列设备。2013年研制成功电动汽车无线充电系统,30cm传输距离内可实现3kW功率输出。同时开展了三维供电、无人机供电等领域的技术应用工作。

  哈尔滨工业大学2013年成功研制20cm空气隙下传输4kW的实验装置。武汉大学研究了WPT高压输电线路取能技术,于2014年研制了样机,并在10kV和35kV配线上试运行。

  重庆大学研究了ICWPT技术基础理论及工程应用,2015年完成电动车动态无线供电示范系统,轨道总长50m,轨道平面与车载拾取机构最佳垂直距离40cm,最大输出功率30kW,行进过程供电效率达75%~90%。

  天津工业大学2013年提出高速列车WPT技术,搭建了无线充电模型。四川大学、中国空间技术研究院开展了空间太阳能电站MWPT和激光WPT技术研究。

  华南理工大学主要研究WPT系统效率最大化和负载匹配。中国科学院电工研究所2014年研制出定点电动汽车无线充电系统,实现20cm传输距离下3.3kW功率输出。

  2. 产业化

  中兴通讯研发出汽车用大功率无线充电系列产品,已在大理、郑州、成都等多条无线充电公交线路使用。海尔无线产品涵盖家电、数码、汽车等多个领域,2014年起与多家公司合作铺设中国公共无线充电热点。中惠创智可提供无尾厨电、无线充电机器人和移动设备等多种无线充电解决方案。

  我国WPT技术研究主要集中在电动汽车、智能电子、电力传输、高速列车等领域,理论层面已达到或接近国际先进水平,部分研究成果世界领先,但工程实践相对较少,产业化与国外还有差距。

  四、我国进一步发展重点

  WPT技术在交通运输、工业应用、智能家居(消费电子)、植入医疗及空间太阳能等领域,都具有极高发展潜力和巨大市场前景。在科技部的支持下,“十二五”期间,我国相继开展了电动汽车无线充电放电技术、植入式医疗系统无线能量传输技术、无线携能通信系统关键技术等研究。总结分析WPT技术发展现状,我国应着重发展标准体系、工程实用化核心关键技术等WPT技术重点方向。

  1. WPT技术标准体系建设

  国际无线充电标准和联盟主要是无线充电联盟(WPC)Qi标准、AirFuel Alliance标准、美国汽车工程师协会(SAE)标准和IEC 61980标准。我国产业化进程与国际差距巨大,暂未形成有影响力的联盟,虽已开始制定行业标准,但尚未正式提出。我国急需成立有影响力的联盟,促进相关标准落地实施。

  2. WPT系统工程实用化核心关键技术研究

  我国WPT技术基础理论研究已取得一定成果,开发了一些概念化、示范化产品与工程,但尚有走向应用的大量核心关键技术需要攻克,如变参数条件下WPT系统的动力学问题、智能一体化的WPT系统检测和控制技术等。

  3. 无线充电电动汽车与智能电网高度融合协作解决方案和实践工程

  2012年,国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2010—2020)》,加快培育和发展节能与新能源汽车产业。根据相关研究,预计2030年我国电动车保有量将达6000万辆,按每辆充电功率10kW计算,其容量将占2030年电力装机总量的26%。研究基于智能电网负荷调控的电动车WPT技术、公路网与电力网统筹调度技术,实现强交互能力的无线充电电动车与智能电网智能联合互动,可发挥电动车的削峰填谷作用,有效平抑电网负荷波动,避免无序充电可能对电网产生的极大冲击。

  4. 微波定向WPT技术及应用研究

  微波定向WPT技术可使空间太阳能电站电能高效率输送到地面,其研究主要包括提升空间大功率微波能量传输效率,优化大功率微波WPT系统,突破高效率大功率微波器件、超大口径高效率发射天线、大型天线波束控制及高效率地面接收等关键技术,实现空间超大功率、远距离、高效无线电能传输。

  5. 电气化轨道交通WPT系统工程应用技术研究

  国外已建有轨道交通无线供电示范工程,我国还没有整套的工程性解决方案。结合高铁大发展国家战略,我国应研制大功率高功率密度初级电能变换装置,研究系统冗余、容错、异物和活物检测技术,探索工程建设可靠方案,推进示范性工程建设。

  6. 智能电网领域WPT技术应用研究

  主要研究变电站智能巡检机器人静态和动态WPT技术、可穿戴巡检设备定向WPT技术等,并着力研究基于EF类功放的高效高频电源、动静态供能模式下的磁能导向机理分析及耗能优化方法等,为示范应用提供技术保障。

  7. WPT技术低成本工程化应用关键技术研究

  低成本化是WPT技术大发展的前提,需着力研究适用参数变化鲁棒性的能量耦合器、低成本特定或复合功能的能量激发装置等关键技术与设备,打造健康发展的全产业链,实现WPT系统整体解决方案与工程实践低成本化。

  8. WPT系统电磁安全检测评价体系及屏蔽技术研究

  无线电能传输高场强值特性和电磁泄露可能引起的电磁污染、干扰等问题,限制了WPT技术的推广应用,亟需建立涵盖多频段、多应用环境、多功率等级的电磁环境检测评价体系,研究屏蔽技术,解决电磁环境安全性问题,为大规模应用提供有力保障。

  9. 电磁超材料应用技术研究

  受限收发线圈拓扑结构,WPT系统空间磁场会出现衰减过快、分布不均匀现象,导致传输距离短、效率低、稳定性差等问题。电磁超材料具有负折射、超吸收、光学隐身等优点。因此,研究加载超材料对WPT系统整体电磁环境和传输特性的影响规律、聚焦型超材料与屏蔽型超材料加载方式对无线输电效率提升的效果等理论,探索加载电磁超材料后WPT系统整体设计、实践方案,对于提升系统性能具有重要意义。

  五、对策建议

  1. 加快技术标准体系建设和完善

  技术规模化发展离不开标准的制定与实行,标准体系不健全是推进WPT技术大规模商业化首要且迫切需要解决的问题。现阶段急需解决“无标可依”问题,提高产品质量,保证产品环境适应性、供电便捷性。

  2. 完善学科体系建设和人才培养

  WPT技术涵盖多学科领域,须加强自身创新能力,建设WPT技术新兴学科,注重人才培养与储备,培养强学科交叉的复合型人才、高端人才、领军人才,夯实基础,实现技术可靠发展,促进产业化进程与国际接轨。

  3. 构建高水准研发平台

  大力推进WPT技术研发平台构建,整合优势研发群体,组建“国家协同中心”“国家工程中心”或“国家实验室”,构建我国WPT技术高水准研发平台,促进自主知识与核心关键技术快速发展。

  4. 推进WPT技术与国家重点计划结合

  政府引导产业界、学术界通力合作,攻克关键技术,推动电动汽车WPT技术纳入国家新能源汽车战略,实现无线输电与智能电网和新能源车协同发展;将智能电力监测设备无线供电纳入国家智能电网发展战略,超前研制建设电动车无线充电桩(站)和智能电网监测设备无线供电系统。

  5. 发挥政府导向作用

  强化政府主导力量,在产业化初期给予政策性引领,并从国家科研项目等方面加大支持力度,通过制定WPT产业规划等,鼓励企业和科研机构有机合作,积极创新和研发,共同促进WPT技术发展和应用。

  本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号:ZLY2015072)研究成果之一。东南大学黄学良教授参与了本研究。

  本文特约编辑:姜念云