時間：2023-05-30 09:57:31
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無線電能傳輸，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
前言
無線電能傳輸技術有名無接觸電能傳輸技術，是指一種借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的技術，目前我國對此技術還在繼續研究階段。現在的無線電能傳輸是由電磁感應式、電磁共振式和微波電能傳輸方式三種方式來實現的。由于越來越多的電子產品的出現，為人們的生活帶來了極大的方便，但是傳統的通過導線或者插座充電的電力傳輸方式已經逐漸不能適應更新換代極快的電子產品了。人們希望能有更加新型的電能傳輸技術來取代的傳統電力傳輸方式，從而來消除紛亂電源線給人們帶來的巨大困擾。因此，無線電力傳輸技術便很自然的順應了人們的需求，隨之便走進了人們的日常生活以及各個所需要的領域。
1.無線電能傳輸技術在我國的發展
我國在無線電能傳輸領域的研究是從2000年才開始的，與世界其他國家相比，我國對于該領域的研究相對較遲。起步初始時，主要是研究直接耦合的方式并將其應用于汽車上。從2007年開始，我國對無線電能傳輸技術的研究逐漸加大了力度，投入了大量的心血。從這幾年的研究群體來看，科研工作者主要是國內的知名高校、科研機構以及一些科技公司，其中具有代表性的有浙江大學、哈爾濱工業大學、青島科技大學以及中科院、海爾集團等學校或機構組織。其中最為重要的，在研究過程中具有里程碑意義的是在2010年CES展會上，海爾應用無線電力傳輸技術推出了一款無尾電視，接著在2011年，海爾集團與山東的幾所高校聯合，在超前技術研究中心共同繪制完成了“無線電力傳輸產業技術路線圖”。未來幾年，無線電力傳輸新興產業將隨著科技水平的不斷提升而加速發展，將會達到的產業規模會帶來巨大的經濟效益，并同時在全國范圍內出現新的經濟增長點，從而帶動國家經濟的發展。再這樣的發展速度下，作者相信無線電能傳輸技術完全進入我們的生活將指日可待。
2.目前無線電能傳輸技術的實現方式
作者在前文中提到過，按照原理來分，目前在已經出現的無線電能傳輸技術中，主要有電磁感應式、電磁共振式以及微波電能傳輸方式三種技術方式。其中電磁感應式是利用變化中的電流來通過初級線圈而產生磁場，由變化的磁場再次通過次級線圈感應出電場，從而來達到電能的傳輸。這種方式是無線電能傳輸中目前出現最早、發展最快、應用最多的技術。而電磁共振式技術，它將天線固有的頻率與發射場電磁頻率相一致時引起的電磁共振接收后，通過電磁耦合的共振效應來達到電能傳輸，2007年的MIT就是通過這種技術方式來實現的。這種共振技術方式適合在短距離內使用需要大功率電源的機器，如汽車、電冰箱等。所謂的微波電能傳輸技術，是將電能轉化為微波，讓電力以微波的方式發射，然后微波經自由空間傳送到目標位置，通過微波輻射的方式到達接收端，轉化成直流電能的技術。一般的微波電能傳輸方式距離比較短，通常為10m左右，而且這種技術方式功率小，傳輸效率低，應用的范圍也較小。正常情況下，研究人員都會用前兩種技術方式來進行具體的實驗和操作，但微波電能傳輸技術也可以在近距離內被較小拱了的電器使用，如麥克風、電吹風等。以上三種無線電能傳輸的技術方式是研究中必不可少的，在整個研究領域內具有非常重要的地位。因此科研工作者對這三種技術方式的研究從來沒有放松過，要想將無線電力傳輸技術應用于其他領域，必須對這三種技術方式最夠熟悉的掌握其主要內容，為后面的研究打好基礎。
3.目前無線電力傳輸技術所面臨的問題
無線電能傳輸技術在我國雖然不是一個新的概念，但是它的新技術和新應用的引入已經使它成為一門新的值得研究的學科。雖然目前我國無線電能傳輸技術在不斷的進步，但是在研究過程中仍然會有很多的問題存在。比如在無線電力傳輸的效率和距離的計算，高頻功率電源和整流技術等問題仍沒有得到比較好的解決。而被研究出來的高頻電源方案在運用于實際生活中都普遍存在著效率低下、設計復雜等問題的缺陷，并且無線電力傳輸技術在系統控制方面也存在著較明顯的問題。在研究如何能更好的利用無線電力傳輸技術時，還要考慮電磁輻射對人身是否安全和是否會對周圍環境造成不利的影響。由于無線電力的傳輸不像傳統的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制，它是通過微波的發射來來傳輸電力的，所以如果有高能量的能量密度出現，則會對人們的身體安全帶來影響。還有就是系統整體性能有待提高整體傳輸效率低。其主要原因還是由于能量的控制難以掌握，科研工作者還是無法達到能量的對點傳送，在整個傳輸的過程中仍然會通過散射的方式來損耗掉一部分能量，這樣的低效率甚至是影響整個系統效率的關鍵因素。但是隨著電子傳輸技術的不斷進步，傳輸的效率也會逐漸提高，所以控制好微波的傳輸密度也是研究人員目前面臨的一個比較嚴重的問題。
4.我國無線電力傳輸技術的應用前景
目前，在世界范圍內，無線電力傳輸技術已經被應用與許多領域，比如在便捷通訊、交通運輸領域、水下探測應用、航空運輸領域、醫學器械領域等眾多領域，而且有較明顯的成就。因為中國對無線電力傳輸這一快的研究起步比較晚，所以目前還不能將其運用于這么多領域內。但是從目前的研究速度和投入力度來看，我國對無線電力傳輸技術這一領域的研究是特別重視的，而且每一年都會取得巨大的進步。所以，作者相信在未來的10-20年間，我國會將無線電力傳輸技術運用于各個領域，將會涉足于工業制造、農業生產、家庭的日常生活以及航空航天的各個角落，從而使我國人民的日常生活更加便捷，提高人們的生活品質并且有效的起到節約能源、電能的作用，為能源的節約開辟了一條新型的道路。當有一天，無線電力傳輸技術運用于在我國被普遍運用，利用微波傳輸輸電能的技術，來解決電網的死角，將會對我國落后偏僻地區有巨大的影響，將會帶動這些偏僻落后的地區走上快速發展的道路。
結語
無線電力傳輸是一項很有發展前途的新技術，因為其特有的安全性、便捷性而成為了現在人們研究的熱點問題之一。盡管它也存在著一些很明顯的缺點，如穩定性差、系統傳輸難以控制、傳輸效率低等。但作者相信在廣大科研工作者的努力下，這一技術的發展將會有更好的條件、更光明的前景。未來，無線電力傳輸將會完全取代傳統的電力傳輸方式，并且將會不斷融入人們的生活當中，逐漸改變人們的生活方式，讓人們真正實現過無線生活的夢想。雖然這個過程會經歷很多的艱辛，歷經很長的時間，會伴隨著無數次的實驗與失敗，但是作者認為只要堅持著不要輕易放棄，就會達到我們所期望得到的目標。
參考文獻
關鍵詞：無線電能傳輸；非接觸；磁耦合；共振
作者簡介：王敏星（1964-），男，河南濟源人，河南省濟源市質量技術監督局，工程師；李大偉（1987-），男，河南濟源人，河南省電力公司濟源供電公司。（河南 濟源 459000）
中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0263-03
無線電能傳輸技術（WPT，Wireless Power transfer）能夠實現無導線連接情況下的電能傳遞，在醫學應用、礦井采掘、移動設備充電等特殊場合具有較大的應用前景。隨著移動通信設備、物聯網、電動汽車等技術的快速發展，近年來發展非常迅速，并且取得了較大的進展。伴隨著研究和市場化的不斷深入，作為一種前景廣闊的電能傳輸方式，在電磁兼容、人體健康和傳輸效率等方面都產生新的研究問題，需要進一步明晰研究方向并針對存在的問題深入研究。
一、無線電能傳輸技術的方式
雖然采用超聲波和其他機械波能夠無線傳輸能量，但目前無線電能傳輸的主流方式仍是利用電磁場傳輸能量。從頻率的角度來說，采用的頻率包括從若干GHz跨越到若干kHz的廣大范圍。在較高頻率段，利用微波傳輸能量（甚高頻以上的頻率范圍，頻率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通過控制發射天線的朝向使能量以電磁波的形式準確發射到接收天線。該方法傳輸方向性較強、傳輸距離較遠，但易被障礙物遮擋，還需要較復雜的天線對準裝置。而且高頻電磁波的生物安全性較差，高功率的電磁波對人體有較大傷害，因此在民用領域應用的機會較少。磁耦合諧振式無線電能傳輸方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁場頻率在10MHz以下，通過電諧振體之間的耦合磁場來傳輸電能。這種方法可以在一定的距離（幾厘米到幾米）范圍內傳送能量，功率值可以達到幾百瓦。而感應耦合無線電能傳輸方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁場的耦合程度，可以傳送較大的功率，效率較高。但由于磁材料的限制，工作頻率不宜過高，通常在1MHz以下。在距離增大時，磁材料之間的氣隙增加，耦合程度急劇降低，因此傳輸距離相對較近（常常在幾毫米到幾十厘米）。在民用和工業應用中，磁耦合諧振式無線電能傳輸（MCRWPT）和感應耦合式（MIWPT）的傳輸距離基本滿足常用設備的充電距離要求，從理論上能夠獲得更大的功率和更高的效率，因此具有較大前景，是目前研究的熱點。本文從幾個方面介紹此兩項技術的研究與發展。
二、研究內容和研究方向
1.基本理論和技術研究
率及效率的模型研究：目前對無線電能傳輸方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]電磁場分析方法、[3，4]等效電路法[5]等。
耦合模方法可見文獻[1]所采用的基本方程表達式：
（1）
其中：為代表諧振體中的能量；為激勵角頻率；為自損耗系數；為諧振體m和n之間的耦合系數；為代表外加驅動的驅動項。
其基本思想是，給出系統的源、損耗及特征量，通過求解器損耗與特征量的關系，即求得系統效率及傳輸功率的解。電磁場方法根據電磁場理論求解電磁場方程，以此求得傳輸效率等結果。而等效電路方法主要針對磁耦合的特點，利用電路理論求解電路方程，以此獲得系統的結果。
幾種建模方法各有優劣：耦合模方法可以從能量角度進行分析，但是不夠直觀；電磁場分析方法理論上可以計算非常詳盡的電磁場分布[3]，理論上可以計算出耦合磁場能量傳輸細節。但過于復雜性，不便于系統設計和參數優化。通常借助電磁場仿真軟件以求得分部場的直觀數值解。等效電路法應用直觀，是目前采用較多的方法，但是由于對電磁場進行了低頻簡化，對高頻條件下電磁特性描述較粗略，不利于有關電磁場方面的研究。理論未來的研究方向將建立更加準確和合理的分析模型，甚至提出更加新穎的傳輸模式，從理論高度提高系統的指標，并以此指導設計和制造無線電能傳輸裝置。
第二，線圈結構及設計。根據電路互感模型的一般結構，如圖2所示。
通常可以得到以下矩陣形式的方程：
（2）
諧振條件下傳輸效率：
線圈2在線圈1中產生的反映阻抗為，可見反映阻抗中負載側電阻值位于分母中，對于源側的影響變為負向變化。即負載側電阻值越高，傳輸效率越小。實際電路中，通常源內阻和負載線圈側的電阻RB2往往較大。因此，雙線圈結構傳輸效率往往較低。但根據上述分析，通過改變系統線圈結構和數量，可以改變不同線圈中的反映阻抗，進而改變耦合系統的效率、傳輸功率和傳輸效率。因此出現了三線圈[5]、四線圈[1]和多線圈[6]等情況。
第三，參數匹配方法及參數設計。在確定整體結構形式的基礎上，還需要計算和均衡線圈的各項參數。線圈按照諧振的形式主要有自諧振線圈和電容-線圈諧振線圈。按照線圈的纏繞方式可分為密繞線圈、平面線圈、螺旋線圈等。電路參數主要有電感值、電容值和電阻值等。對于高頻線圈還存在著寄生電容等高頻參數。在分析和設計中，對上述參數進行優化，通過增加耦合程度、減少內阻和提高品質因數以提高系統性能。目前的研究主要集中在線圈結構和參數設計等方面，[7]針對線圈的新構形和新材料的研究也是一個重要的研究方向。
2.無線電能傳輸的激勵源
激勵源是無線電能傳輸的核心元件。相對于普通的高頻信號源和開關電源，激勵源不但工作在高頻條件下，而且還要承擔功率變換的功能。作為能量傳輸路徑中第一個環節，對無線電能傳輸系統的總體指標的影響非常顯著。而且由于電路中諧振作用，功率元件往往要承受諧振電壓或者諧振電流的沖擊，其數值會遠超過系統輸入電壓或者輸入電流。因此，無線電能傳輸的激勵源設計更加困難。目前多采用的是D類開關型和E類諧振型放大電路。按照功率元件的數量和結構，有單管、非對稱半橋、全橋等。該方向的發展方向是實現高頻大功率條件下的高效率、低損耗和微型化，設計出更加適合無線電能傳輸的專用高頻激勵源。
3.電路結構研究
由于無線電能傳輸技術的應用范圍愈加廣闊，需要適應和滿足更加苛刻和多樣化的工作條件與限制。例如為了實現電動汽車在電網運行中能量緩沖的作用，無線充電裝置不僅需要單向充電，而且還需要將能量從電動汽車反向傳輸給電網。醫用領域中對系統的體積和可靠性指標的要求非常苛刻，因此無線電能傳輸裝置既要盡量壓縮體積、提高可靠性，而且還要實現能量和信號的同時傳輸。越來越多新的應用呼喚更加多功能和更強適應性的無線電能傳輸裝置。因此需要提出更多新型的多功能電路結構，以增強電路的緊湊性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]
4.標準、規章及醫學影響
目前，已經出現了三個主要的無線電能傳輸標準（聯盟），其中Qi聯盟成立于2008年12月，目前已推出針對便攜電子產品的低于5W以下設備的標準，未來還將會提出更大功率的標準進而形成體系。[10]
對人體影響的疑慮貫穿于整個無線電能技術的發展，這方面的研究始終是重點之一，包括醫學相關性、輻射限制和磁場控制等多個方面。目前多采用計算機仿真和人體模擬的方式研究對人體的影響。未來將會進一步深入研究無線電能傳輸裝置的生物性影響；同時，通過技術手段減少磁場泄露和影響，以滿足相關的限制性標準。
5.醫學應用研究
由于無線電能傳輸避免了導線的束縛，人體內部植入設備的應用將會變得非常便利，因此無線電能傳輸在醫學方面的應用始終受到最大的關注。[11]但人體內植入設備中，體積要求十分苛刻而且傳輸路徑需要經過人體組織。因此提高微小尺寸線圈的品質因數，提高傳輸效率[12]和研究高頻電磁場對人體組織的影響是目前的主要研究方向。現在，無線電能傳輸技術在經皮植入裝置、心臟起搏器、消化道機器人等方面已經取得了長足的進步。通過無線電能傳輸技術的應用，未來人體植入醫療設備將會有較大的發展，會大大改變人類的診斷和治療方式。
6.電動汽車充電裝置
由于具有無接觸、無連接和無漏電的特性，無線電能充電裝置在電動汽車充電領域具有較大的應用前景，已經成為無線電能傳輸的一個熱門研究方向，而且正在逐步實用化。主要分為固定式和移動式兩大方向。固定式在充電過程中車體保持不動，其傳輸距離和傳輸功率已經能夠滿足電動汽車底盤高度、電動汽車充電功率的要求。移動式電動汽車無線充電方式可以隨時向行進中的電動汽車補充能量，因此可以減少相同運行里程條件下電動汽車所需的電池容量。目前，電動汽車充電技術的主要研究方向是進一步提高傳輸效率、距離和功率，并且針對偏移情況、雙向傳輸、控制方式等問題展開研究。電動汽車的無線充電技術將會推動電動汽車的實用進程，無線充電技術的需求也將越來越大，市場前景更加廣闊。
三、結論
無線電能傳輸技術經過幾年的快速發展，其發展趨勢愈加迅猛。未來的研究將更加深入和細致，并且進一步向應用方向推進，實用化腳步愈發加快。隨著研究內容更加深入及人們對該技術的逐漸接受和認可，未來其市場和應用前景更加廣闊。
參考文獻：
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1.1基本結構
磁耦合諧振式無線電能傳輸系統大多都是兩線圈結構和增加兩個線圈組成的四線圈結構。整個能量傳輸系統分為能量發射端和能量接收端兩部分，其中能量的發射端包括發射能量線圈和高頻率的電源，能量接受端包括接收線圈和諧振電路板及負載電路。
1.2工作原理
磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的工作原理是導線纏繞制成的發射線圈（空芯電感）與諧振電容共同并列形成的諧振體。諧振體所容納的能量在電場和磁場之間或者自諧振頻率在一定空間的隨意振動，在此基礎上產生的以線圈為原點，以空氣為傳輸媒介時更換磁場。能量的接收端是由接收線圈帶有一個單位電容組成的諧振體，在相同條件下的諧振頻率與能量發送端頻率相同，并能夠在所能感應的磁場與電場之間進行自由的諧振，實現兩個諧振體共同的交換，在交換的同時諧振體之間也存在著相同頻率的震動以及能量的交換，這就叫做兩個諧振體共同組成的耦合諧振系統。
2磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究現狀與熱點問題
2.1傳輸水平
磁耦合諧振式無線電能傳輸技術是一種中距離傳輸電能的方式，很多研究者都對其進行了深入的研究，對于技術傳輸水平的研究主要體現在傳輸效率和傳輸距離上，與系統共振的頻率有關。一般普通的諧振頻率都選用13.56MHz的頻率，需求比較高的系統采用比較高端的頻段。
2.2傳輸特征
磁耦合諧振式無線電能傳輸系統在傳輸過程中具有以下特征：一是頻率分裂和調頻技術，頻率分裂是指在整個系統線圈傳輸結構中，隨著傳輸距離的減少，傳輸的速率也會出現不同的值域；二是在傳輸結構中加入中繼諧振線圈和接收終端的線圈。在具體的設備中結合多個中繼諧振線圈和接收線圈的結構中，對傳輸系統進行研究和分析，可以充分說明系統不受弱導磁性物體的影響；三是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統只有在一定的水平位置角度移動下才能實現較高速率的無線電能傳輸。
2.3新材料的應用
無線電能傳輸最重要的就是實現傳輸的高效率、傳輸的距離長、傳輸功率大，但是由于多方面原因的限制，無法實現上述三個目標。在磁耦合諧振式無線電能傳輸系統中是利用附近外界的能量進行傳送的，主要的耗損有歐姆損耗和輻射損耗。在這種情況下，提高速率，首先要減少歐姆損耗，利用超導材料可以實現這一目的。2.4干擾問題無線電能傳輸線圈會受人們日常生活用品擺放位置的影響。當用品靠近線圈時，會導致系統傳輸諧振頻率的偏差。根據實踐證明，無線電能傳輸對干擾源的頻率非常敏感，離線圈越近，影響越大。
3磁耦合諧振式無線電能傳輸技術需要解決的問題和發展的趨勢
磁耦合諧振式無線電能傳輸技術在發展中已經取得了比較大的成果，但是在個別方面的研究還不夠深入。首先關于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術沒有形成一套完整的設計方法；其次，系統參數沒有進行有效的分析以及校正；再次，對于系統應用中與實際相關的內容沒有進行解決；最后這種技術需采用高強度的磁場，但至今沒有在如何減少磁場危害上達到共識。
4總結
華麗登場
人造電能發現之初，就有人潛心研究無線傳輸電能的可能性，只不過當時的方法和原理研究無法達到實用的階段。在無線電發展了100多年之后，這種無線傳輸電能的方式再次被關注。
2007年6月，來自麻省理工學院的研究人員通過電磁線圈實現了距離2米的60W電力的傳輸。他們采用了全新的思考方式，采用了兩個能夠實現共振的銅線圈，依靠共振進行能量的傳輸。這跟聲音的傳播原理類似，唯一的好處就是能量損失更小，而傳播的能量密度更高。
隨即，專門關注無線充電的組織―無線供電共同體（Wireless Power Consortium）成立，他們現在的目標是通過120KHz的頻率，傳輸100W以上的能量。這個組織收羅了電源控制模塊的領軍廠商National和TI，羅技、飛利浦、奧林巴斯以及三洋和飛利浦的ODM廠商深圳桑飛也可能成為其用戶。
從此，無線電能傳輸揭開了新篇章。
最先受到鼓舞的是手持設備廠商。他們想通過更多的功能吸引用戶，但是電池局限使得很多創意無法實現，或者實現成本過于高昂。受到無線傳輸電能的啟發，Palm開始了新理論的奪冠之旅―最新的Palm pre將成為首批支持無線充電的手機，籍此在創新層面上超過了蘋果。
在Palm的網站上，有關于這個創意有長篇累牘的報道，這個特性會大大吸引那些對充電特別恐懼的用戶。擁有這個新功能，用戶只需要把設備放在特定的充電板上就可以了，而不需要專門的接口。
這是磁共振技術的新發展。與麻省理工學院研究的長距離電能傳輸不同，這種研究專注短距離的無線電能傳輸，通過垂直的磁場耦合實現電能的傳輸。這個技術能夠提供小功率場合，滿足不同小功率器件的充電需求。
作為最早研究無線充電的公司――Convenientpower，它推動了這個技術的發展。根據他們的介紹，這個座落在香港的公司能夠為幾乎所有的掌上設備提供無線充電解決方案。
如果面對超過50W的需求，這種技術有它的局限性。Fulton的技術更具有實用性，他們的產品能夠實現智能的耦合搜尋，傳輸的能量也更大。最高可以傳輸120V/1.4KW的能量，那就意味著吸塵器都可以不用電源線。Fluton也把它們的重心放在了家庭廚衛需要大功率電器方面。
比如提供一個電源桌子，上面可以任意擺放多個設備，只要總功率不超過限制就行。這樣插座、線頭就要省去很多，操作的自由感覺也很好。在一個視頻里，演示的工作人員把榨汁機擺放在無線供電的桌面上，相當有吸引力。
這樣，在無線供電共同體中，已經涵蓋了小功率的方案和大功率的方案。
關鍵在模塊
我們可以省去煩人的各種充電器。只要一個合適的充電耦合板就行了。Wildcharge已經在提供類似的產品，只不過產品非常昂貴，而且是針對某些特定的手機才有解決方案。目前，無線充電還沒有成為手機等手持設備的標準配備，因而改造和定制生產的成本還相當高昂。
Wildcharge的一個方案報價高達80美元。對于目前的手機價格，這雖然無法被輕松接受，因而無線充電暫時可能無法帶來市場方面的熱捧。但是，相信任何看了這個技術演示的用戶都會被深深吸引。
Wildcharge提供的技術類似于Convenientpower公司，屬于近距離的電源傳輸。雖然不需要手機與充電器有插座接觸，不過還需要放在特定的區域。但是與煩人的插座比起來，這已經有了巨大的進步。
Wildcharge能夠提供15W電力，因而可以滿足多個手持設備的充電。現在唯一的問題是如果沒有內置的無線充電模塊，這種充電設備將無法發揮作用。
Palm Pre采用的充電模塊與之類似。它同樣提供一個充電塢，不同之處在于充電器本身與手機是不需要有金屬接觸的，放置的方式也可以隨心所欲，只要滿足兩者的無線電能傳輸即可。
這也就意味著在未來的家庭和會議室里，隨處充電將成為可能。
無線充電模塊是改變這一切的關鍵。只要一個大一點的充電模塊就能解決所有問題，而不需要攜帶過多的設備。
這種方式對于軍用和醫療同樣有用。現在軍人承擔了戰爭信息終端的功能，他們背負的東西越來越多，電池消耗同樣巨大，其中有各種連線。根據美國國防部的報告，他們的士兵如果執行4天的任務，背負的電池將達到20公斤，而且過多的連線將大幅度降低可靠性。
移動醫療照明如果省略了長長的連線也將大幅度降低很多操作的復雜度。因而，無線電能的傳輸，從IT技術中成長，也將必然惠及多個領域。
從制造和設計的角度，我們將節省更多材料，這也是相當環保的主意。以現在40億部手機的保有量來看，未來一個手機一個充電器的模式將被拋棄。筆記本電腦也是如此，如果在所有的桌面上提供類似的充電方便，手持設備受到電池左右的歷史將被重寫。
因而，無線電能傳輸將節省很多材料，并且擁有巨大的靈活性，多個設備可以共享一個充電設備而不需要進行多次的變換。如果大功率的版本可以實現量產，家庭里的很多設備幾乎不需要再有插座之爭了。
各種標準的插座也將成為歷史。因而，無線“電”是相當值得期待的。
丟掉插座
新的磁共振方式解決了一個大難題，無線傳輸的損失幾乎降低到了可以忽略的地步。Fulton的設備可以實現98%的能量傳輸，比通過連線的方式效果還要好。
因而，在我們的未來生活里，手持設備全面換用無線充電毫無疑問。在我們的未來家裝中需要考慮的不是插座的位置，而是電源板的位置。如果Fulton真的能夠把1.4KW的功率實現傳輸，那么，多數設備的插頭都可以取消。
每個桌面都可以成為電源板，放在電源板上就可以實現電能的傳輸。對于筆記本電腦和投影機等設備尤其有用，那些有充電煩惱的用戶，將手機放在桌面上就可以實現充電，而不必為忘了充電煩惱。
這個模式可以從手持設備中蔓延。電視、電腦甚至地板，都可以構成類似的區域，只要在地板上行走，帶有線圈和發熱模塊的鞋子就能產生熱能，從而實現更有效率的加熱。甚至在衣服上構筑空調系統也不是不可能。
現在，各種充電設備無法統一，都各有標準，根源在于接口和金屬鏈接的限制使得設備無法統一。比如，在理論上，筆記本電腦的電源也可以為手機充電，接口的不統一限制了這種可能性。
特斯拉構想
100年前，交流電的發明者美國人尼古拉?特斯拉從閃電中獲得靈感，設計了“特斯拉線圈”，這是一種分布參數高頻共振變壓器，可以輕松獲得上百萬伏的高頻電壓。游戲《紅色警戒》系列里面的電磁塔（特斯拉塔）就是根據特斯拉線圈設計的。
后來，特斯拉發明了所謂的“放大發射機”，現在稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無線輸電試驗。特斯拉的無線輸電技術神乎其技。特斯拉把地球作為內導體，地球電離層作為外導體，通過他的放大發射機，使用這種放大發射機特有的徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振，利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。這一系統與現代無線電廣播的能量發射機制不同，而與交流電力網中的交流發電機與輸電線的關系類似，當沒有電力接收端的時候，發射機只與天地諧振腔交換無功能量，整個系統只有很少的有功損耗，而如果是一般的無線電廣播，發射的能量則全部在空間中損耗掉了。
無線充電的發展
在石油資源日漸枯竭的今天，無線電能傳輸對于新能源的開發和利用、解決未來能源短缺問題有著重要的意義，因此許多國家都沒有放棄這方面的研究。1968年，美國工程師Peter Glaser提出了空間太陽能發電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構想是在地球外層空間建立太陽能發電基地，通過微波將電能傳輸回地球，并通過整流天線把微波轉換成電能（如圖）。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯合提出太陽能計劃――建立太陽能衛星基準系統。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實驗型微波輸電裝置，已于2003年向當地村莊送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發電站SPS2000，2050年進入規模運行。
香港城市大學的許樹源教授早在幾年前就曾經成功研制出一種無線電池充電平臺，可將數個電子產品放在一個充電平臺上，透過低頻電磁場充電，充電時間與傳統充電器無異，技術實現也不深奧。這種無線電池充電平臺利用的就是變壓器原理――變化的磁場中閉合的金屬線圈會產生電流。而英國SplashPower公司2005年初上市的無線充電器Splash pads，就是變壓器原理商業化的無線充電產品。
在2011年日本最大的無線通訊展（Wireless Japan 2011）上，研究人員展示了一款二維通訊設備。當用戶將電子設備放在平板上時，系統會在設備所放位置的特定領域聚集電磁波，而不是在整塊平板上均衡地發散。如此一來，只有設備放置處的導電膜片（conductive sheet）才會收到電磁波。這種方法不僅可以集中傳輸電力，還能提高節能效率，這樣絕大部分的能源就被節省下來了。
無線電能傳輸有電磁感應、電磁共振和微波三種基本方式，這三種技術分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。其中電磁感應是將線圈中的電流直接以電磁波形式進行1cm以下的近距離收發，收發設備需要有較高的識別能力，由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失，因此效率較低，通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產品。電磁共振方式是利用電磁波通過線圈產生同頻率的磁場共振實現無線供電，磁場的強弱決定了它的傳輸距離和效率，它可以實現10m左右距離的室內供電。微波方式是將電力以微波或激光形式發射到遠程的接收設備，然后通過整流、調制等處理后使用。幾種技術各有特點，近來電磁感應和電磁共振技術取得了突破，更適合日常應用。
無線充電的未來
由線圈旋轉切割磁場產生的電流，兩個設備中分別使用了一個具備振蕩電路特性的線圈組成一對收發天線，讓其中一個天線發送能量，另一個天線則接收能量。當向其中的發送線圈加載數兆赫茲的交流電場之后，其天線周圍產生磁場，通過相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力，從而實現無線電力傳輸。英特爾西雅圖實驗室就試制出了這樣的磁場耦合共振電力收發器，可以在2米距離內無線給60W燈泡提供電力。英特爾首席技術官Justin Rattner表示，未來可以將無線充電裝置安裝在辦公桌內部，只要將筆記本、手機等放在桌上就能夠立即供電。筆者認為這才是無線充電技術的未來。
無論是電磁感應，還是電磁共振技術，效率都和產生磁場的線圈大小有關。如果要將它內置到充電裝置和筆記本、手機等便攜設備中，就必須精簡線圈尺寸，發送和接收效率自然也會隨之下降，因此需要更先進的控制芯片以及收發電路設計使無線電能的傳輸效率提升到75%以上，從而讓無線供電的效率更高，充電時間更短。
不過距離也是無線電力傳輸的一大障礙，距離越遠損耗越大，接收端能感應到的電能也就越少。然而在通常情況下，當接收端天線的固有頻率與發射端的磁場頻率一致時，就會產生共振，此時磁場耦合強度明顯增強，無線電力的傳輸效率大幅度提高。不過，這種電磁場的頻率可能對設備內部的其他部件造成干擾。
在未來，我們可以將無線充電裝置放在辦公室、旅館和機場的頂部，只要身處發射共振有效工作距離之內，就能立即為筆記本、手機無線充電，就像現在已經十分普及的WiFi無線上網一樣簡單。人們不再需要隨身攜帶充電器，不再為各種不匹配的接口而發愁，也不必為延長待機時間而使用笨重的電池了。也可以在自家的墻上安裝一個電力發射器，這樣所有的家用電器也可以實現無線充電。
日本成功實驗無線輸電，點亮500米外LED燈之前，我國天津工業大學一支研究團隊就在高鐵列車無線供電方面取得重要進展，解決了長期制約高鐵列車安全的技術難題，而且這項成果是入選2014中國科協夏季科學展的17項前沿科技成果之一。
如果說無線輸電技術還屬科技前沿，但無線充電技術已來到我們身邊。手機、平板電腦、相機、筆記本……這些移動電子產品改變了我們的生活和娛樂方式。但這些移動電子設備都離不開電，走到哪兒都要充電。而伴隨著無線充電技術走進人們視野，充電的煩惱也即將一掃而光。
誰都知道，手機是最先引入無線充電技術的電子設備。華南理工大學電力學院副院長張波告訴記者，現在已涌現出許多手機無線充電板，但在使用中還存在充電距離、效率以及充電設備體積問題。“但隨著人們對無線技術的認識和輸電水平的提高，在手機無線充電領域取得大的突破甚至產業化前景樂觀。”
據了解，目前手機無線充電板多采用電磁感應方式進行電能傳輸，這種方式傳輸距離較短，給人“無線”印象還不太明顯。
“手機無線充電技術已開始應用，將來還會有更新突破與進展。”哈爾濱工業大學電氣學院副院長、智能測試及信息處理技術研究所所長朱春波透露，哈工大研究團隊正在攻克較遠距離的手機無線充電技術。
事實上，手機無線充電只是作為應用于諸多小功率電子設備的代表，無線充電技術的應用其實正延伸到更大功率的電氣設備上，如海爾即將上市的無線供電無尾電視和無尾廚電。
與手機和無尾電視相比，人們對電動汽車無線充電想象更加動人。
“電動車本身還沒得到普及，電動汽車的無線充電更無從談起，但技術上還是越來越近了。”朱春波告訴記者，電動汽車有多種能量補充形式，但對比傳統傳導式充電，無線充電在安全性和接口標準化方面具有無可比擬的優勢，這些優勢可能會促進電動汽車的普及。
美國新聞紀錄片《誰殺死了EV1》中的EV1是美國加州一款新型電動汽車，受到地方政府和老百姓的喜愛，但在電影結尾中這款產品被扼殺，原來通用公司的大股東們都是石油巨頭，電動汽車的發展影響到他們的利益，正是他們殺死了深受百姓喜愛的EV1。在這部紀錄片中，EV1最早用到了非接觸充電技術，憑感應式充電器，充電時避免了人身傷害危險，非常安全。
2012 年，美國斯坦福大學首次提出“駕駛充電”概念，為電動汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動汽車可不必停下來充電而無限地跑下去。
設想一下，如果有一天，人們邊開車邊充電（需在道路設置無線充電裝置）、停進車庫按下按鈕也可以充電。屆時，這種動態充電與靜態充電結合的電動汽車，將變成不折不扣的“傻瓜”車。
而在特殊應用領域，無線充電技術早已嶄露頭角。在水下（海底）移動裝備的非接觸電源接入、生物醫電、旋轉式設備、無線傳感器等方面，無線輸電技術正發揮著重要作用。
“目前，微小功率的無線輸電技術實際應用已取得可喜進步，研以致用，以用促研。可以預計，再用10到15年時間，無線輸電技術必將得到大面積推廣應用。”重慶大學自動化學院黨委書記、電力電子與控制工程研究所所長孫躍對無線輸電技術充滿信心。
無線輸電的前世今生
盡管無線輸電技術在今天看來屬于前沿新興科技，但早在一百多年前，“無線輸電之父”尼古拉?特斯拉就對無線輸電展開探索。
19 世紀末被譽為“迎來電力時代的天才”的尼古拉?特斯拉，曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在紐約長島建造了無線電能發射塔，設想利用地球本身和大氣電離層為導體來實現大功率長距離無線電能傳輸，可惜由于資金缺乏，這個塔最終并未建成。
2007年6月，美國麻省理工學院的馬林?索爾賈希克研究小組宣布，利用電磁共振技術成功點亮了一個距離電源約2 米遠的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達到40%。該項技術的引起世界范圍內磁諧振無線輸電裝置的研發熱潮，德國、日本、新西蘭等國家很快跟進了這方面的研究。
麻省理工學院的研究成果陸續發表后，國內還鮮有人知道磁諧振無線輸電技術，因索爾賈希克的文章是從物理學角度闡述的，這對國內電工學研究者來說并不容易理解。
2008年，張波和他的學生對磁諧振無線輸電用電工學的方法做了原理性解析，并做出實驗進行驗證，文章發表在《中國電機工程學報》上，成為后來國內無線輸電技術研究者的必讀文章。
彼時，朱春波正在哈工大開展無線傳感器網絡應用方面的研究，他發現無線傳感器網絡發展瓶頸技術之一就是供電技術。比如埋在路面或建筑物里的無線傳感器，電池電量耗盡就宣告無線傳感器的“壽終正寢”。受到索爾賈希克的啟發，朱春波帶領學生闖進無線供電這一陌生領域，成為國內研究無線輸電的一支重要力量。2010年圣誕節前，他的學生運用磁諧振技術把1.5米高的圣誕樹上的二極管彩燈點亮，還申請了專利。朱春波告訴記者，時至今日，盡管對無線輸電領域的研究仍處于起步階段，但人們已表現出越來越多的興趣，對未來擺脫充電插頭充滿期待。
“一直以來，人們總是在不斷尋求無線輸電實用技術方案，并著力推進無線輸電技術的實用化發展。”孫躍說，就目前技術成熟情況來看，無線輸電技術主要還是解決移動電氣設備的電能非接觸接入問題，為人們更加便利和安全使用移動電氣設備提供有效解決方案。
無線輸電仍需技術突破
孫躍指出，盡管國內外在基于電磁感應耦合模式無線電能傳輸技術方面的發展及應用推廣迅速，但目前在功率容量、傳輸效率、傳輸距離及電磁兼容等方面仍待進一步突破。
張波則認為，目前電磁感應、磁諧振等磁場輸電技術相對成熟，但受限于周圍環境影響等因素，傳遞效率和功率均無法滿足人們日常需要，這可能意味著人們還未探索到磁場輸電的“終極理論”。
“自然界都有它自己的規律，磁場傳輸能量肯定是有其路徑，只是我們還沒找到這個規律，這需要學術界下大力氣去探索。”張波對記者說，這可能需要信息、控制、電子電力、材料甚至數學物理等學科交叉研究攻關，一旦探索到磁場傳輸電能的法門，其意義不亞于光纖的發明。
【關鍵詞】效率自校準 無線充電 磁共振 零電壓開關
隨著當今科技的高速發展，對于電能的需求呈現出幾何級數形式的爆炸性增長。當下每個人的工作與日常生活都與電能使用緊密相關，但各種移動電子設備對于充電裝置的不同要求，以及各個國家的電網電壓具有不同量化標準的矛盾，令傳統的有線充電方式極大地制約了移動設備充電在便攜性和方便性上的發展，使之無法滿足現代社會人們不受地點約束，快捷高效地為移動設備充電的要求。因此無線充電技術的運用受到越來越多的關注。
目前無線充電技術主要有三種類型：感應耦合電能傳輸技術、磁共振式電能傳輸技術以及遠場輻射技術。其中感應耦合技術原理實現簡單，但是傳輸距離過短，同時線圈的橫向位移以及頻率變化對于傳輸效率的影響過大。遠場輻射技術借助激光束傳輸電能，目前該技術的研究仍處于理論探究階段，難以實現。而磁共振式無線充電技術是中等距離的無線電能傳輸技術，在固定坐標下能量損耗小，并且傳輸穩定、電磁輻射對人體影響極小，但是線圈在與之垂直的圓面上發生角位移時，也會對傳輸效率產生較大影響。因此磁共振式無線充電系統中采取針對線圈姿態的調整來校準效率的環節變得尤為重要。
1 磁共振式無線充電理論模型的分析
諧振是一種自然界中十分普遍的現象，并且具有眾多形式。而在電路理論中，以LC并聯諧振電路和LC串聯諧振電路為例，其本質上都屬于在電場中發生的強烈共振現象。
而在磁共振無線充電技術中，導線繞制的線圈等效為電感，與電容相連構成諧振體，該諧振體所具有的能量可以在電場與磁場之間以其自諧振頻率自由振蕩，同時產生了以線圈為中心、空氣為媒介的時變磁場；另一方面，與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的另一諧振體則會感應磁場，所感應的磁場能同樣在電場與磁場之間以其自諧振頻率自由振蕩，使得兩個諧振體之間不斷地有磁場能交換，進而產生以兩個線圈為中心、以空氣為媒介的時變磁場。兩諧振體內的電場能與磁場能振蕩交換的同時，伴隨著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統。
當發射線圈、接收線圈采用并聯諧振耦合電路時，此時的系統傳輸效率可以用式（1）表示：
式（1）中，Us為發射線圈所接電源電壓，ω為頻率，Z1，Z2為發射端、接收端的等效阻抗，RL為接收端所接負載的電阻大小，而發射線圈與接收線圈的互感M可近似由式（2）表示。
上式中，μ0為真空磁導率，N為所用線圈匝數，γ為所用線圈半徑，d為發射線圈與接收線圈之間的空間距離。
由式（1）以及（2）可以看出，在線圈繞制的參數和諧振體中的電容選擇完成之后，整個系統的傳輸效率只與頻率與線圈之間的空間距離有關。而在當發射回路和接收回路都處于諧振狀態時，并且發射線圈與接收線圈位置固定時，最優的系統傳輸效率大小主要取決于發射線圈與接收線圈的平面關系，如圖1所示。
2 效率自校準的磁共振式無線充電系統設計
效率自校準的磁共振式無線充電系統構成如圖2所示。本套系統主要一方面以磁共振方式進行無線電能傳輸，整體電路通過采用ZVS零電壓開關技術和直流-交流-直流的變換，克服常規磁共振產生方法損耗大，電路元件多，控制驅動復雜等不足，進而實現電能的無線高效傳輸。另一方面則通過陀螺儀采集到的姿態信息進行判斷，借助伺服電機對發射端進行功率和姿態調整，達到電能傳輸的最大效率。
效率自校準的磁共振式無線充電系統由主電路和控制電路構成。
在主電路部分，可以劃分為發射電路和接收電路。發射電路主要采用ZVS零電壓開關電路，具體電路如圖3。在整個過程中利用電感電容的并聯振蕩（LC并聯諧振）令上管Q1和下管Q2輪番實現零電壓開關，并且同時反過來利用MOS管的通斷對LC振蕩補充能量。通過調節振蕩電容和發射線圈的電容，控制起振的頻率，這樣既減小了MOS管的開關損耗，又調高了諧振頻率，增大傳輸效率。同時由于采用自激振蕩，不再使用外部的信號來控制MOS管的關斷，就避免了MOS管驅動電路，簡化了系統電路，而且不再受外部信號頻率的影響，只需保證f發射LC=f接收LC 即可，振蕩頻率的調節變得簡單。
在接收電路中，對比于發射電路，拓撲結構較為直接，采用接收線圈與電容并聯諧振，接收由發射電路傳輸過來的能量。然后經過半波整流，進一步減小整流二極管的損耗，同時采用兩個二極管并聯的方式，降低二極管的導通電阻，從而提高接收電路的輸出效率。
在控制電路中，采用以32位的高時鐘頻率的主控芯片進行控制。控制流程圖如圖4所示，先令接收線圈沿軸轉動半圈，在轉動的過程中，同時刻采集接收回路的輸出效率與接收線圈上所安裝的姿態傳感器的角度值，在進行卡爾曼濾波以消除機械抖動帶來的角度誤差之后，將同時刻的輸出效率與角度值一一對應，制成列表；用快速排序算法處理表內數據，找出效率出現最大值時對應的角度值；將角度值輸出給PID控制器，以便快速地調整發射線圈上所安裝的伺服電機帶動發射線圈轉動至期望角度。伺服電機動作之前的一系列步驟為自校準過程。
3 實驗與分析
設計并制作了一臺50W的小型效率自校準的磁共振式無線充電裝置，如圖5所示。發射線圈與接收線圈均為4匝，半徑為0.24m（線圈的繞制采用外徑6mm，厚度1.5mm紫銅管材料，感值為12微亨），諧振補償電容為235皮法。該系統中控制部分采用了MPU6050型號的陀螺儀和PDI-6221MG伺服電機。發射端與接收端之間距離，接收線圈的轉動角度為實驗的自變量，整個系統的傳輸效率為實驗的因變量。
表1為未加入效率自校準控制時，發射端與接收端之間距離為d=10cm、15cm、20cm情況下，發射線圈豎直放置，而接收線圈分別順時針轉動和逆時針轉動下的接收電路的傳輸效率。
由表1可以看出，在發射端與接收端固定距離的情況下，接收線圈的轉動改變了發射線圈與接收線圈的平面關系，從而影響了整個系統的傳輸效率，而從實驗數據中不難發現在固定距離下，當發射線圈與接收線圈保持平行狀態時，傳輸效率達到了最大，這也正是控制電路所期望的目標。
在增加了效率自校準控制之后，與之前的實驗條件相同的情況下進行對接收線圈的旋轉，最終得出圖6中的實驗結果，即無線充電裝置的傳輸效率長時間內較為穩定的保持在最大值上。
4 結束語
本文通過對磁共振式無線電路傳輸與零電壓開關電路傳輸原理及模型分析，設計了無線充電系統，并給出了能實現效率自校準的控制環節進行配合控制，當合理得選擇系統所需參數時，電能傳輸效果良好。由實驗可見，所設計的基于效率自校準的磁共振式無線充電系統工作穩定，具有一定實際使用價值。
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【關鍵詞】RS485接口電能表；無線電子表；載波電子表
1.引言
隨著電力工業的發展和電力商業化運行的需要，傳統的手工抄表，費時，費力，準確性和及時性得不到可靠的保障。數據的準確度和及時性，直接影響營銷及相關部門進行更深層次的分析，電力企業對電能表數據的自動抄讀和計量管理信息系統的應用日益重視。電能表數據自動抄讀的及時性和正確性直接影響到電力企業的工作成本和計費效率，因此隨著科技的不斷發展，越來越多的電能表數據抄讀技術被開發并投入使用。要配合的相應自動抄讀技術的使用，首先就需要電能表數據傳輸技術方面的相應發展。為配合多元化抄讀技術的試驗和實施，計量部在2009年檢定的單相電子式電能表就有RS-485接口單相電子式電能表、單相載波電子式電能表和單相無線電子式電能表。
2.三種單相電子式電能表的抄表方式
電能表的抄讀技術大致可以分為本地抄表技術和遠程抄表技術兩大類，這兩種抄表方式并不完全分立，在一個電力管理系統中是可以同時存在。就計量部2009年檢驗的三種單相電子式電能表而言，基本上都可以實現本地抄表和遠程抄表，在實際工作中這兩種方式各有側重，互為補充。
2.1 RS485接口單相電子式電能表抄表方式
廣州地區從2006年開始安裝RS485接口單相電子式電能表，至2009年底已完成了將近九十萬只電能表的檢定和配送工作，數十萬只電能表已經在現場投入運行，是廣州地區應用最為廣泛的單相電子式電能表，下文將從本地抄表和遠程抄表兩個方面進行分析。
2.1.1 本地抄表方式
RS485接口單相電子式電能表本地通信抄表技術，是利用RS485總線將小范圍的電表連接成網絡，通過紅外或RS485設備進行現場抄表。RS485技術是傳統的總線式聯網方案，該技術在多功能電能表和關口電能表中有較為廣泛的使用。其RS485抄表構成技術示意圖如圖1。
由采集器通過RS485網絡對電能表進行電量抄讀，并保存在采集其中，再由抄表器定期抄讀采集器內數據，抄表器與計算機管理系統進行通信，實現電量的最終抄讀。RS485抄表技術可以很容易和其他抄表手段相結合，能更有效的實現集中抄表目的。
2.1.2 RS485總線式遠方抄表系統
RS485總線式遠方抄表系統采用RS485網絡通信方式，相關技術在我國電力行業中有一定程度的使用。其系統構架框圖舉例如圖2所示。
抄表集中器通過RS485采集帶RS485接口的電能表電量，抄表集中器可通過RS485專線傳送給中繼器，由中繼器通過通信網絡將有關數據傳給中心計算機。總線式抄表系統的主要特點是數據通道穩定，傳輸速率快，不受外界溫度等環境變量或負載變化的干擾，并能實時監控電能表使用狀態，可遠程人工點擊軟件按鈕拉閘斷電和合閘送電，方便電路檢修。
2.2 單相載波電子式電能表抄表方式
電力載波通信是一個很早就已經提出并且已經應用的技術，最大的優勢就是可以利用電力線網絡作為一種傳輸介質，抄表系統簡潔，成本低廉，如果技術成熟，將是電力抄表系統的最佳通信資源。單相載波電子式表是應用電力線載波通訊技術與電子電能計量技術研制的低壓電力線載波自動抄表電能表，其與電力線載波抄表集中器和中繼器及管理主站一同組成低壓電力線載波自動抄表系統，完成計量數據遠距離傳輸和通斷電控制功能。
載波抄表是通過中心計算機把信號發送到抄表集中器后，其通過電力線將信號發送到載波芯片，載波芯片動作后將數據通過電力線返回到抄表集中器存儲，中心計算機再從抄表集中器讀取數據，如圖3。
但由于載波式遠方抄表有線路阻抗無法匹配、線路衰減大、時變性和區域性大等問題，在實際使用中采用了過零點點至技術和直序擴頻通信技術等方法，為實現在低壓電力線上可靠傳輸數據而改進。低壓載波抄表技術及產品自90年代中期進入我國，經過多年的發展部分產品水平已達到實用要求，也已經部分地區居民用戶集抄中占有一定比例。
2.3 單相無線電子式電能表抄表方式
無線通信技術是傳統的數據抄收手段，該技術在多功能能電能表和關口電能表中有一定程度的使用，近年來因居民單相表計數量上的增加和對抄表及時性的要求，廣州地區也開始引進單相無線電子式電能表，該表可利用無線通訊技術與微機實現通訊，具有計量準確、通信可靠、抄表方便，可以遠程監控、遠程維護。其工作技術構成如圖4。
無線抄表系統可以擺脫人工抄表的麻煩，利用數據通訊協議傳輸數據。可以很容易地和其他抄表手段相結合，能更有效的實現抄表目的。同時也可以通過現場通信手段的改造，較為容易地實現遠程抄表。
3.三種單相電子式電能表的檢定情況
3.1 RS485接口單相電子式電能表檢定情況
廣州城區自從2006年開始引入RS485接口單相電子式電能表，截止2009年底共對近九十萬只該類型電能表進行首檢工作，涉及的電能表生產廠家從原來的一家發展到2009年的六家，而歷年的首檢合格率如圖5所示，合格率都穩定地保持在99.94%-99.95%，表示各廠家的RS485接口單相電子式電能表的生產工藝相對已經較為成熟，產品的技術參數都較為穩定。
通過對在首檢過程中發現的505只故障電能表分析，并對其故障原因進行整理得下圖6。
由上圖可以看出電能測量基本誤差不合格占電能表故障原因的一半，經分析發現造成該情況主要牽涉到電能表內部的幾個元器件和組裝焊接工藝等方面；其次是直觀檢查和通電不合格項及多功能試驗不合格，涉及到電能表的外殼損壞、開路、485芯片故障等多個方面因素。
3.2 單相載波電子式電能表檢定情況
廣州地區從2009年開始引入單相載波電子式電能表，第一年度計劃共為4275只，其中首檢發現不合格電能表1只，合格率達到99.98%。不合格電能表的判定原因為“不發脈沖”，據分析是其內部電能計量專用芯片發生故障所致。
3.3 單相無線電子式電能表檢定情況
2009年廣州地區第一次購買了630只單相無線電子式電能表，其首檢合格率為100%，并未發現不合格電能表。
由于單相載波電子式電能表和單相無線電子式電能都是首次、而且是小批量進入廣州地區，因此其首檢量并未有足夠的代表性。但我們可以通過對上述三種單相電子式電能表的工作、特別是抄表方式的差異去進一步研究它們各自的技術特性，在其后的首檢過程中繼續有針對性地積累關鍵元器件的運行數據機故障情況，為日后的檢定及現場運行、電能數據抄讀等工作做好技術準備。
4.結束語
隨著電能計量的要求提高，電能表數據抄讀的技術發展，各種抄讀方法特別是居民用戶的遠程集中抄表技術將逐漸成熟，并將陸續投入實際運行中使用。因此可以預見的是，將會有更多帶有新抄讀方式的電能表進入廣州地區。作為電能表的首檢部門，除了要繼續提高自身對電能表本身技術參數的認識外，還應該對各種電能表運行和抄讀知識進行了解。只有明白電能表在運行中和抄讀中的工作原理和狀況，才能對每一個檢定項目的具體作用有清晰的了解，提高自身工作的認識和針對性。隨著社會的發展和用戶對電能要求的提高，電力供應部門也將要不斷提升自身的服務質量，電能表除了對電能進行計量外還將通過各種遠程抄錄數據方式對電網和用戶用電情況進行遠程監控和管理，建立一個高效完善的電能計量管理信息系統。
參考文獻
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作者簡介：
關鍵詞：無線輸電；電磁耦合；特斯拉線圈；共振線圈；太空輸電
引言：隨著人們對世界的探索和對知識的融匯，誕生了很多無線的高科技產品，如無線電話，藍牙耳機，紅外傳輸，無線鼠標……大家是否盼望電能的傳輸也能像電話一樣開啟無線的時代，相信在未來的不久輸電的無線時代會逐步走進人們的生活。無線輸電嚴格來講就是無線電源，一切用電設備將不在需要連接電源的導線。
無線輸電優點
電能作為一種能量，傳統的電能傳輸主要是靠導線或導體進行輸送，但是從發電，輸電，變電，配電，用電在這些復雜的環節中，要使用大量的導線，桿塔，變電設備和換流設備，對電網的日常維護也是離不開的。無線輸電能夠省去電力輸送過程中的諸多環節，使電能輸送變得更為經濟。而且傳統的蓄電池也可以不再需要，因為無線輸電可以直接將電能輸送到用電設備，比如筆記本，手機，電動車……這樣就可以為人們的日常生活帶來了很多的方便，擺脫了電線及充電器的束縛。所以將電能輸送無線化是有很大前景的。
無線輸電原理
特斯拉無線輸電：尼古拉·特斯拉這位架起電與磁之間橋梁的科學巨匠，也是最早提出無線輸電的大師。他的理論是將低頻高壓電流轉化為高頻電流，然后再由空氣作為傳輸媒介來輸電。經常看到的特斯拉線圈就是能夠生產出既高頻又低電流的高壓交流電。而且在一次記者招待會上，特斯拉做出了一個經特斯拉線圈產生的高頻電流經過自己的身體，使一顆無線燈泡發亮的展示。特斯拉線圈的線路和原理都很簡單，本質是一個可以獲得高頻電流的變壓器。后來特斯拉又發明了放大發射機，也就是現在的大功率高頻傳輸共振變壓器。特斯拉把地球作為內導體，地球電離層作為外導體，通過放大發射機，這種放大發射機特有的電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起了低頻共振，利用地球表面的電磁波作為媒質來傳輸能量。可惜特斯拉有生之年沒有財力實現這一發明，在這位巨匠隕落之后，這項技術被擱置，目前此技術又被重新研究。特斯拉線圈結構如圖1所示
圖1
電磁耦合共振的無線輸電：這種技術已經得到了應用，并且制造出了一些科技產品，為數碼相機，手機，筆記本進行無線感應充電。既然是感應充電，需要將用電設備置于感應裝置上才能對其進行充電，即充點墊。此技術尚在研究階段，感應距離是很微小的，遠遠不能滿足輸電的要求。近日麻省理工學院的一個研究小組在2米的距離內實現了無線輸電，但是傳輸效率只有40%。這種無線輸電的原理是：采用兩個耦合共振線圈，一個線圈接電源成為送電端，另外一個為接收端。讓兩個線圈具有相同的頻率，線圈之間就可以進行電能的輸送，這兩個共振線圈不會被其他頻率的物體所干擾，因此可以讓兩個耦合共振的線圈透過同一磁場傳輸電力，相當于開啟了一個電能傳輸的通道。
電磁耦合式無線輸電是一種基于電磁感應原理的輸電方式，可以達到輸電設備與用電設備間非物理接觸就可以傳輸電能的效果，也是目前極有可能成為無線輸電的技術手段。該系統主要由三個部分組成，能量發送端，無接觸變壓器和能量接收端。簡化圖如圖2所示
圖2
由于這種系統屬于疏松耦合系統，傳輸效率低，為了提高傳輸能力，初級變壓器通常采用高頻變壓器。無接觸變壓器是系統中的樞紐部分，對穩定電流，高效傳輸起決定性作用。能量發射端由整流濾波電路，高頻逆變裝置和控制電路構成，與變壓器的初級相連。能量接收端由輸出整流濾波器和控制電路組成，與變壓器次級相連。系統簡化圖如圖3所示，耦合程度如圖4所示。
圖3
圖4
無線輸電前景展望
無線輸電的科技實踐，證實無線輸電理論切實可行。如果將這種無線輸電的方式擴展為太空輸電，那么能源是取之不盡用之不竭的。太陽內部熱核反應所造出的太陽能是非常巨大的，太陽每小時所釋放的能量，可供人類使用5萬年，然而輻射到地球的能量只有22億分之一。若將太陽能盡可能利用，則可以解決全球因煤炭發電，引起的全球變暖問題，同時環境污染得到了有效遏制，屆時人類將會用到廉價、清潔、 可持續的能源。
由于地面受云層等天氣狀況的影響，不利于陽光的收集，但是太空中陽光的輻射強度是地面的15倍，從地表發射一個帶有單晶硅太陽能電池板的衛星，其高度超過35800公里后沒有云層遮蓋，晝夜變化，四季之分，相對位置與地球保持不變。將電池板收集儲存的能量通過無線輸電的技術傳送到地表，然后通過無線輸電技術將其輸送至千家萬戶。這將是人類能源利用的一次革命性突破，會給各科領域帶來新的輝煌。其簡化圖如圖5所示。
結束語
本文將特斯拉線圈的電磁感應與電磁耦合相融合，使電磁感應無線輸電的低效率與電磁耦合輸電的短距離相彌補。以現有的研究水平對無線輸電進行了說明和推導公式的展示，以及筆者大膽建立的太空無線輸電模式，希望為研究無線輸電盡微薄之力。
參考文獻
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【關鍵詞】可穿戴終端 無線充電 電場耦合 移動電源
1 引言
近兩年，從頭戴設備、手表到手環，可穿戴設備的興起成為移動市場的新焦點。然而，由于硬件體積受限，可穿戴設備的電池容量僅為幾十到幾百毫安，續航時間短、需頻繁充電成為用戶體驗中的痛點。在電池新技術短時間內難以迅速突破的困境下，具備更好體驗的無線充電成為折中的解決方案。由于具備一定的技術門檻，目前大多數可穿戴設備還是使用傳統的有線充電方式，僅Moto360、高通Toq手表、蘋果Apple Watch等數款明星產品采用了無線充電。
無線充電從原理上可分為電磁感應式、磁共振式、電場耦合式和無線電波式4種，市面上支持無線充電的可穿戴設備大多基于技術較成熟的電磁感應式，但存在占用空間大、發熱明顯等問題[1]。由于電場耦合無線充電方式電極薄、電極發熱極低[2]，符合可穿戴設備的訴求，且因起步晚而發展空間較大，因此本文將針對這種充電方式進行研究和改進。
現有電場耦合無線充電都是采用整塊極板的方式，在終端與電源端充電接口未精確對準時充電效率會大幅降低，不符合用戶自由放置充電的需求。針對這個問題，本文提出針對可穿戴設備的劃小分割式電極板，有效降低交叉耦合產生的影響。
同時，可穿戴設備是為日常的持續使用而設計的，能與用戶在任何時刻進行交互[3]，然而目前可穿戴設備充電時仍需將其從腕部拆下后進行充電，存在數據記錄的盲區，本文也針對此問題提出了關于無線充電式移動電源的幾種實現方案。
2 工作原理
電場耦合式無線充電最初由村田制作社提出，并被廣泛引入新的設計。該公司的做法是使用準靜電電場并通過電容傳輸能量，這種電容則是由屬于物理上分開的器件的兩個電極組成。將這兩個器件彼此靠近就能形成一個電容陣列，并用來傳輸能量。在工作狀態中電場耦合結構的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環境的電磁干擾很小[4]。
本系統通過一組3.7V鋰電池提供電能，經過升壓電路、逆變電路、驅動電路，為發射極板提供高頻交流電，并在終端接收后經整流濾波為終端充電，具體如圖1所示。其中，電極板的改進以及其邏輯選擇的方式是本研究的重點。
3 極板設計
在電場耦合式無線充電中，平板式耦合結構對發射端與接收端的相對位置要求比較嚴格。圖2展示了平板式耦合機構經常出現的電極未對準的情況。發射電極1不僅和接收電極1存在耦合，和接收電極2也有部分耦合，同時發射電極2也和兩接收電極均存在耦合，這種一個發射電極同時與兩個接收電極耦合，或者一個接收電極同時與兩個發射電極耦合的現象被稱為交叉耦合。
在存在錯位的情況下，嚴重的交叉耦合容易造成輸出電壓波動，不利于系統的穩壓控制或者恒定功率輸出。且對于平板式耦合機構，在偏差角度不一致的情況下，即使偏移距離一樣，其交叉耦合程度的差異也可能非常大，交叉耦合的情況比較復雜[5]。
對于可穿戴設備來說，在進行無線充電時，這種位置和角度上的偏差在所難免，這會明顯影響到充電效率，延長充電時間。為解決交叉耦合產生的影響，本文提出劃小分割式電極，通過將發射電極進行細分切割以及每個電極分別接上控制開關，將交叉耦合程度降至最低。針對智能手表等圓盤式可穿戴設備，可采用如圖3的結構，其中發射電極由7個正六邊形組成，接收電極為2個正六邊形的電極板。
在終端位置確定后，需通過開關控制電路進行最佳正負極板的選擇。極板選擇的邏輯流程如圖4所示，通電后將計數器i與參考最大電壓分別置于1與0，使計數器i從1開始計數，選擇不同的發射極板，直至達到最佳耦合狀態，在未接收到充電已滿信息時，維持正常充電狀態，直至充滿。充電時若收到終端發射的電流異動信號，即表明可穿戴終端位置可能偏移或者設備已移走不再充電，那么重新對極板進行選擇，并進行充電。若在n次選擇后Imax仍為0，即表明設備已移走，此時關閉電源，充電停止。
通過上述改進的劃小分割式極板設計和選擇，當接收電極放在不同位置時能得到大致相同的耦合電容，并在耦合電容發生變化時，通過控制發射極板實現動態調諧[6]，以此控制輸出功率，調節輸出電壓，保證充電效率。
4 實現電路
4.1 移動電源端發射電路
圖5為電能發射基礎電路圖。升壓采用TI的TLV61220電池解決方案，可實現輸出電流取決于輸入輸出電壓比。升壓轉換器建立在采用同步整流的磁滯控制器拓撲基礎上，能夠以最少的靜態電流實現最高的效率。E類放大器電路與CLC高頻諧振電路將直流電逆變為高頻交流電，其中CLC諧振電路相比單級LC諧振系統具有更大的諧振容量，且具有比LC諧振更小的頻率漂移[7-8]。
4.2 可穿戴終端接收電路
圖6為電能接收端的基礎電路圖。在實際的充電過程中，發送極板與接收極板進行耦合，接收端得到交變電流，然后經過一個橋式整流電路。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，含有較大的諧波成分，不能直接對電池充電，因此需要再連接一個RC濾波電路[9-10]，濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓。在理想情況下，在濾波后只保留直流成分，而濾去所有的交流成分。
5 無線充電式移動電源方案
針對可穿戴設備充電時需從身上卸下的問題，本文對此提出了關于無線充電式移動電源的幾種實現方案。如圖7（a）所示，智能手表表帶上設有接收極板，與表盤內無線充電接收模塊及電池相連接，表帶狀電源實質為一腕帶式移動電源，若按此大小設計，電池容量至少有300mAh。在腕帶電源的中部朝里設有無線充電發射極板，當將其扣上手表表帶時，腕帶式移動電源的發射極板與表帶上接收極板匹配，即可進行無線充電，避免了智能手表卸下充電的步驟，可滿足智能手表全天候工作的需求。
圖7（b）為智能手表表殼，底部設有充電極板及充電電路，由于電極板只有幾百微米，加上充電電路后厚度較小，不影響舒適度，表蓋部分內置有鋰電池。圖7（c）為手環式移動電源，手環外接一個圓盤，設有充電極板及充電電路，手腕圓環部分內置有鋰電池。當智能手表需要充電時，只需要戴上該無線充電手環，并將圓盤極板置于表背，即可實現無線充電。
6 結束語
本文針對可穿戴設備目前在無線充電中存在的問題，通過對電場耦合式無線充電中電容極板進行改進，使設備在充電時有更大的空間自由度，不會由于可穿戴設備端與電源端未完全對準而導致充電效率低下甚至不充電，提升了用戶體驗。在電路實現上，本文給出電源端與可穿戴設備接收端的基礎電路圖作為參考。最后，3種針對可穿戴設備的移動電源方案可以為該類產品的設計提供思路。
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【關鍵詞】 認知無線電技術 軍事通信領域 應用價值
認知無線電是以軟件無線電為基礎的一種智能無線通信系統，認知無線電能夠適應好周圍的環境變化，動態識別沒有被占用的合法頻譜，在空閑頻譜信號傳輸過程中不會對合理合法用戶造成有害干擾。
一、認識無線電的基本概念和基本分類
1.1認知無線電的基本概念
隨著無線通信技術的發展，軟件無線電的概念被人們所熟知，并且將其逐步引入到軍事通信領域中來。無線通信技術通過軟件編程來實現對無線電臺的各種操作功能，以軟件無線電為媒介來實現無線調制解調算法[1]。也就是說，軟件無線電的出現將改變目前基于硬件和面向用途的產品設計方法。在不斷完善的軍事通信領域過程中，應用認知無線電技術能夠顯著提高軍事通信系統的信息化水平。另外一個角度來看，軍事無線通信的需求在迅猛增長，軍事通信系統對無線頻譜資源的需求也在不斷地增長中。針對上述問題，軟件無線電和協同通信等技術不斷推陳出新，導致無線頻譜的利用率越來越低，從而降低了軍事無線的通信性能。認知無線電的使用則有效解決了上述問題，認知無線電能夠通過貧譜感知技術進入到授權頻段，從而最大限度地提高無線頻譜的利用效率，提高軍隊的作戰能力。
1.2認知無線電的基本分類
1、頻譜感知技術。主要指的是對電磁環境的感知能力，從而發現出頻譜空洞，再從中熟悉好無線信號的基本特性，再進行合理利用。
2、頻譜分配技術。頻譜感知探測到的頻譜空洞資源隨著用戶的需求而進行相應改變的，按照不規律的頻譜資源進行整合能夠實現頻譜資源的合理分配與應用。
3、功率控制技術。軍事通信系統中，頻譜發射功率一旦不合適勢必會影響到通信水平。在清楚認知傳統功率控制方法基礎上，再將信息論和對策論等互為結合，取長補短，不斷 改善軍事通信過程中的功率控制。
二、認知無線電的基本特點
現階段來看，認知無線電技術的主要特點包括以下幾個方面：（1）信息認知能力；（2）頻譜管理能力。認知無線電技術是在無線電技術上的創新與進步，無線電的信息認知能力主要體現在能夠有效感知或者捕獲到所在工作環境中的相關信息，再從中挑選出最為合適的工作參數和頻譜。頻譜管理能力主要體現在對頻譜的感知方面和判決方面，在很大程度上能夠有效提高頻譜的管理能力。除此之外，頻譜感知能夠通過監測可以用的頻段，再發F其中的頻譜空洞[2]。總而言之，認知無線電技術能夠對無線電磁環境進行有效分析，再快速感應出相關數據信息，最終有利于提高軍事通信系統的傳輸能力。一旦頻譜管理不當或者分配方案不夠靈活，勢必會貽誤戰機，使得認知無線電技術無法快速且有效的完成頻譜資源的合理分配，在通信過程中能夠根據戰場的頻譜需要而進行相關調整，不僅僅能夠提高軍事通信系統對頻譜的管理效率，而且還能夠提高系統的抗干擾能力。
三、認知無線電在軍事領域中的主要優勢和面臨的阻礙
認知無線電是一種能夠感知軍事無線環境，且通過對環境的理解與學習等實時調整內部配置，從而最終適應外部戰場環境變化的一項技術[3]。
認知無線電目前面臨的主要障礙。首先，認知無線電技術的終端研制制約其發展；其次，認知無線電軟件技術的研究需要針對各種戰場的實際環境進行相應的算法處理，最終應用到軍用終端上，但是目前的技術尚未達到有關水平。隨著通信技術的發展，高性能且軟件化的射頻終端將應用在軍用認知無線電領域中。
主要優勢。軍用無線電電子對抗通過感知戰場電磁頻譜特性能夠提取出干擾信號的特征，從而準確且快速地進行敵我識別。與此同時，進行電磁頻譜偵察能夠大大提高電子對抗效率，當敵方采用掃頻式干擾模式時，能夠采用更換頻率集的對抗戰略。一旦敵方變換姿勢，采用跟蹤式干擾方式時，我方可以采用變速跳頻的對抗策略。在軍用認知無線電抗干擾策略中主要應用的是抗敵方干擾策略，敵方干擾的常見方式有以下幾種：其一，阻塞式；其二，掃描式；其三，瞄準式。認知無線電技術能夠通過對頻譜的感知，將敵方的干擾信號所在頻段劃分在門限以上，將沒有干擾的信號頻段劃分在門限以下，基于此能夠避開信號干擾。
四、結束語
綜上所述，認知無線電技術具有接入非常靈活的特點，能夠有效提高頻譜的利用效率，在軍事通信領域中發揮出很大的作用。
參 考 文 獻
[1] 費利軍，王亞鴿.認知無線電技術及在軍事通信中的應用[J].現代電子技術，2014，15（17）：36-38，42.
1、含有無線充電功能的有iPhone 8、iPhone 8 Plus, iPhone X，iPhone XR，iPhone XS，iPhoneXS MAX。
2、手機無線充電的優點：1.利用無線磁電感應充電的設備可做到隱形，設備磨損率低，應用范圍廣，公共充電區域面積相對的減小，但減小的占地面積份額不會太大。
2.技術含量高，操作方便，可實施相對來說的遠距離無線電能的轉換，但大功率無線充電的傳輸距離只限制在5米以內，不會太遠。3.操作方便。
（來源：文章屋網 ）
