无线电能传输

定义

无线电能传输指电能不经导线或波导，而由空间中的能量载体直接由电源侧传给负载侧的技术，英文缩写常写作 WPT^[1][2]。承担能量载体的可以是低频交变磁场、微波、激光乃至超声波，其中以耦合线圈之间几十千赫至几百千赫的磁场应用最广^[3]。按耦合机理，该技术通常分为电磁感应式、磁耦合谐振式和微波辐射式三类，也有文献把电场耦合式单列出来讨论^[1][4]。

与有线供电相比，其价值在于无电气接触、无需插拔、可随时补能，并支持一台发射装置为多台设备供电，因而适用于潮湿、旋转、移动等不便接线或存在安全隐患的场合^[1][2]。该技术跨越电磁场、电力电子、自动控制、材料与通信等多个学科，被美国《技术评论》列为未来十大科研方向之一^[1]。

原理

感应式方案相当于把变压器的磁芯去掉，让一次侧线圈中交变电流产生的磁场穿过二次侧线圈，由法拉第电磁感应定律在二次侧得到感应电动势，再经整流滤波供给负载^[3]。由于两线圈之间通过磁场联系，相互之间的互感决定传递能力，线圈距离越近、尺寸越接近、对位越准，耦合越强、效率越高^[5]。

距离拉开后互感急剧下降，系统无功功率占比升高、效率变差；解决办法是用电容与线圈电感构成谐振回路，使发射端与接收端在同一频率上谐振，从而补偿无功并维持较强的能量交换^[3]。谐振频率由电感和电容共同决定，即 $f = 1/(2\pi\sqrt{LC})$^[6]。衡量回路优劣的品质因数 $Q = \omega L/R$ 越高，谐振越尖锐、传输能力越强^[7]。

flowchart LR

A[工频电源] --> B[整流与功率因数校正]

B --> C[高频逆变器]

C --> D[补偿网络与发射线圈]

D -.近场磁场耦合.-> E[接收线圈与补偿网络]

E --> F[整流滤波]

F --> G[电池或负载]

E -- 负载调制反馈 --> C

工程系统中，发射侧把直流电逆变为高频交流驱动线圈，接收侧将感应电压整流后供给电池，并通过负载调制向发射侧回传功率需求信息，形成闭环控制。工作频率需依据应用选取，例如面向手机的 Qi 低功率规范使用约 110 kHz 至 205 kHz 的频段^[8]。微波与激光方式则把电能转为射频或光能，经天线或光学系统定向发射后在接收端整流或转换为直流量，属于辐射式传输^[9]。

发展历程

利用空间电磁场送电的设想可追溯到尼古拉·特斯拉，后者的线圈实验被认为是这类技术的早期原型，磁共振方案与其在原理上相通^[2][3]。此后较长时期，基于电磁感应的非接触供电仅限于毫米至厘米级距离，效率随间距增大迅速下跌^[2]。

2007 年，美国麻省理工学院的研究团队提出强耦合磁共振方案，用直径约 60 cm 的谐振线圈在 2.4 m 外点亮 60 W 灯泡，效率约 40%，突破了感应式传输距离过短的瓶颈^[2][7]。这一结果带动了全球范围的研发与产业化，随后成立的衍生企业推出了 3.7 kW、7.7 kW 与 11 kW 等车用系统^[1]。

标准化与技术指标同步推进。无线充电联盟于 2008 年成立，2010 年 7 月完成首版 Qi 低功率规范，覆盖 5 W 以下设备^[10][8]。2023 年该联盟发布 Qi2，基于磁吸对齐的功率配置把功率定为 15 W；2024 年 12 月的更新版本将上限提高到 25 W^[11]。

电动汽车方向形成了较完整的规范体系。中国自 2020 年 4 月 28 日发布 GB/T 38775 系列国家标准，其中第 4 部分专门规定车内外电磁环境限值与测试方法，并于 2020 年 11 月 1 日实施^[12][13]。学术方向上，研究者又引入宇称—时间对称等非厄米物理机制，试图同时兼顾效率与稳定性^[14][2]。

应用

消费电子是目前最普及的落地场景。符合 Qi 规范的手机、耳机、电动牙刷等把设备置于充电板即可补能，规范的 22 种以上线圈设计保证了不同品牌间的互通与认证可比性^[3][15]。车载无线充电亦在增多，带移动线圈的发射端可主动对准设备^[11]。

交通领域以电动汽车和轨道交通为代表。德国庞巴迪的 PRIMOVE 系统于 2013 年用于纯电动巴士，并在多个城市开通商业线路；日本日产 2014 年展示的无线充电样车单台充电设备额定输出约 10 kW^[1]。美国橡树岭国家实验室 2016 年测试的 20 kW 系统效率约 90%^[1]。

工业与医疗等特殊场合更看重无接触带来的可靠性。工厂自动化中的洁净搬运装置、水下探测设备、工业机器人与物联网节点都在采用这类供电方式^[1][16]。植入式医疗器件与人工心脏等研究也以消除经皮导线为目标，相关实验系统的效率已可超过 90%^[1][2]。航天领域的旋转供电机构则更倾向电场耦合方案，因其重量轻、成本低、涡流损耗小^[4]。

局限

传输距离与效率存在此消彼长的关系。感应式系统在数毫米到数厘米内尚可保持可观效率，超出后效率随距离呈快速衰减，因此难以覆盖大间距供电需求^[2][5]。磁共振方案虽把有效距离延伸到米级，但受距径比限制：当间距接近或超过线圈尺度时，强耦合被打破，效率显著下降^[2]。

效率与稳定性难以同时满足。两线圈强耦合会引起工作频率模式劈裂，一旦间距或负载变化，效率即随之波动，往往需要复杂的频率跟踪或阻抗匹配电路加以补偿^[2][14]。线圈错位、尺寸形状不匹配、外来金属物也会降低耦合，还可能带来额外涡流发热。

辐射式方案同样受限。微波与激光可以把能量送得更远，但波束发散、对准要求高、整体效率偏低，大功率场合还涉及对生物体与设备的电磁暴露约束^[9]。因此各国对发射功率、工作频段与暴露限值都有规定，例如中国对无线充电设备使用频段与车外电磁环境分别设有专门要求^[17][12]。

此外，缺少统一标准会造成互通性不足，效率与功率受制于具体协议；高功率系统还存在散热、器件成本与体积重量等工程约束^[3][14]。

参见

• 电磁感应 —— 感应式无线电能传输的能量转换基础。

• 磁耦合谐振 —— 中距离无线电能传输实现效率提升的核心机制。

• Qi标准 —— 面向消费电子的短距离无线充电互通规范。

• 无线充电联盟 —— 制定并维护 Qi 系列标准的行业组织。

• 微波输电 —— 借助射频波束进行远距离能量传输的辐射式方案。

• 无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定 —— 中国对无线充电设备频率使用与功率的管理文件。