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無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術憑借其靈活、可靠、便捷的技術優(yōu)勢，近些年在科研與商業(yè)領域都取得了諸多成果。目前無線電能傳輸系統(tǒng)形成了以電磁波為主要載體的兩大技術類別：①近場電磁耦合式（Near-field Magnetic Coupling, NMC）：分為電場耦合與磁場耦合；②遠場射頻式（Far-field Radio Frequency, FRF）：包括微波、毫米波、激光等。

其中尤以近場電磁耦合式無線電能傳輸技術最為成熟，在各種不利于進行有線電能傳輸的應用場景中擁有廣闊的發(fā)展前景，包括植入醫(yī)學設備、移動便攜終端、井下勘探設施、水下自主機器、電動汽車等。而遠場射頻式無線電能傳輸技術以及基于其他媒介（超聲波等）的無線電能傳輸技術受限于能量傳輸功率與轉化效率，導致研究與應用都較少。

成熟可靠的商用無線電能傳輸系統(tǒng)本質上是一個電能與信息同步傳輸系統(tǒng)。電能與信息同步傳輸（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer, SWPIT）系統(tǒng)如圖1所示，對于實際工程應用而言，無線電能傳輸系統(tǒng)為保證能量高效穩(wěn)定地從電能發(fā)射端傳輸至負載接收端，同時負載模塊采集的功能數據能高速可靠地反饋至電能發(fā)射側，電能發(fā)射端與負載接收端不僅需要進行能量傳輸，也需要實現(xiàn)數據通信。

圖1 電能與信息同時傳輸系統(tǒng)

總體而言，電能與信息同步傳輸系統(tǒng)實時通信內容可概括為兩大類：①電能傳輸控制數據：包括接收側電壓、電流、功率的大小等，主要用于系統(tǒng)的閉環(huán)控制、狀態(tài)監(jiān)測、最大效率/功率跟蹤控制等；②系統(tǒng)工作數據：與系統(tǒng)整體實現(xiàn)的功能與用途有關，如發(fā)射端發(fā)送的功能控制命令、接收端傳感器采集的反饋工作數據等。研究如何在電能發(fā)射端與接收端之間同時建立穩(wěn)定可靠的無線能量傳輸通道與數據通信鏈路，是十分必要且有意義的。

表1 MC-SWPIT系統(tǒng)實現(xiàn)及其優(yōu)缺點比較

未來近場磁耦合能量與信息同步傳輸技術（Magnetic Coupling SWPIT, MC-SWPIT）將朝著高速通信與高效傳能的方向發(fā)展，并進一步拓寬其有效工作范圍。伴隨著半導體與數字控制技術的發(fā)展，系統(tǒng)的能量傳輸功率可從mW級升至kW級，通信速率可從kbit/s升至Mbit/s級，可進一步實現(xiàn)芯片級的高度集成化與小型化，深刻嵌入現(xiàn)代社會的各個領域。隨著近場磁耦合能量與信息同步傳輸技術的進一步完善與成熟，有望在以下多個領域取得廣泛應用：

（1）無線能量傳輸加密：能量作為一種有價資源在傳輸時不能被未授權的負載隨意獲取。為防止無線電能在傳輸過程中被非法竊取，必須進行加密傳輸并對負載進行識別，只有擁有無線能量接收許可密匙的合法負載才能接入系統(tǒng)。近場磁耦合能量與信息同步傳輸系統(tǒng)可實現(xiàn)負載識別與能量傳輸加密，只有能進行正確應答的負載才能獲取能量；否則，電能發(fā)射端可以拒絕進行能量傳輸以保證能量安全。

（2）無線能量路由網絡：未來隨著無線電能傳輸的普及，無線電能系統(tǒng)可構成多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）無線能源網絡，因此功率分配尤為重要。接入該無線能源網絡的電能發(fā)射源或負載必須按需發(fā)射或接收能量，滿足不同電源出力以及負載的供能要求。近場磁耦合能量與信息同步傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端可構成能量路由器，所自帶的通信功能可完成能量供給與需求通信，從而構建無線能源網絡并按需供給與分配電能資源。

（3）物聯(lián)網設備供電：未來物聯(lián)網（Internet of Things, IoT）設備將在智能家居中扮演不可或缺的角色，而其擁有諸多傳感器且需連續(xù)工作。近場磁耦合能量與信息同步傳輸技術可實現(xiàn)攜能通信，有效延長傳感器的在線工作時間并降低其維護成本。

（4）生物組織植入設備：對于視網膜假體、胃鏡、精準送藥機器人等植入人體組織的設備而言，通常不易采取有線供電。近場磁耦合能量與信息同步傳輸技術可有效提高這些醫(yī)學植入設備的使用便攜性與工作時間，提高用戶體驗并減少痛苦。

本文編自2022年第16期《電工技術學報》，論文標題為“近場磁耦合無線電能與信息同步傳輸技術的發(fā)展（下篇）：電路拓撲”，作者為華南理工大學電力學院的李建國、張波、榮超。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支持。