时间：2023-05-30 09:57:31
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇无线电能传输，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
前言
无线电能传输技术有名无接触电能传输技术，是指一种借助于电磁场或电磁波进行能量传递的技术，目前我国对此技术还在继续研究阶段。现在的无线电能传输是由电磁感应式、电磁共振式和微波电能传输方式三种方式来实现的。由于越来越多的电子产品的出现，为人们的生活带来了极大的方便，但是传统的通过导线或者插座充电的电力传输方式已经逐渐不能适应更新换代极快的电子产品了。人们希望能有更加新型的电能传输技术来取代的传统电力传输方式，从而来消除纷乱电源线给人们带来的巨大困扰。因此，无线电力传输技术便很自然的顺应了人们的需求，随之便走进了人们的日常生活以及各个所需要的领域。
1.无线电能传输技术在我国的发展
我国在无线电能传输领域的研究是从2000年才开始的，与世界其他国家相比，我国对于该领域的研究相对较迟。起步初始时，主要是研究直接耦合的方式并将其应用于汽车上。从2007年开始，我国对无线电能传输技术的研究逐渐加大了力度，投入了大量的心血。从这几年的研究群体来看，科研工作者主要是国内的知名高校、科研机构以及一些科技公司，其中具有代表性的有浙江大学、哈尔滨工业大学、青岛科技大学以及中科院、海尔集团等学校或机构组织。其中最为重要的，在研究过程中具有里程碑意义的是在2010年CES展会上，海尔应用无线电力传输技术推出了一款无尾电视，接着在2011年，海尔集团与山东的几所高校联合，在超前技术研究中心共同绘制完成了“无线电力传输产业技术路线图”。未来几年，无线电力传输新兴产业将随着科技水平的不断提升而加速发展，将会达到的产业规模会带来巨大的经济效益，并同时在全国范围内出现新的经济增长点，从而带动国家经济的发展。再这样的发展速度下，作者相信无线电能传输技术完全进入我们的生活将指日可待。
2.目前无线电能传输技术的实现方式
作者在前文中提到过，按照原理来分，目前在已经出现的无线电能传输技术中，主要有电磁感应式、电磁共振式以及微波电能传输方式三种技术方式。其中电磁感应式是利用变化中的电流来通过初级线圈而产生磁场，由变化的磁场再次通过次级线圈感应出电场，从而来达到电能的传输。这种方式是无线电能传输中目前出现最早、发展最快、应用最多的技术。而电磁共振式技术，它将天线固有的频率与发射场电磁频率相一致时引起的电磁共振接收后，通过电磁耦合的共振效应来达到电能传输，2007年的MIT就是通过这种技术方式来实现的。这种共振技术方式适合在短距离内使用需要大功率电源的机器，如汽车、电冰箱等。所谓的微波电能传输技术，是将电能转化为微波，让电力以微波的方式发射，然后微波经自由空间传送到目标位置，通过微波辐射的方式到达接收端，转化成直流电能的技术。一般的微波电能传输方式距离比较短，通常为10m左右，而且这种技术方式功率小，传输效率低，应用的范围也较小。正常情况下，研究人员都会用前两种技术方式来进行具体的实验和操作，但微波电能传输技术也可以在近距离内被较小拱了的电器使用，如麦克风、电吹风等。以上三种无线电能传输的技术方式是研究中必不可少的，在整个研究领域内具有非常重要的地位。因此科研工作者对这三种技术方式的研究从来没有放松过，要想将无线电力传输技术应用于其他领域，必须对这三种技术方式最够熟悉的掌握其主要内容，为后面的研究打好基础。
3.目前无线电力传输技术所面临的问题
无线电能传输技术在我国虽然不是一个新的概念，但是它的新技术和新应用的引入已经使它成为一门新的值得研究的学科。虽然目前我国无线电能传输技术在不断的进步，但是在研究过程中仍然会有很多的问题存在。比如在无线电力传输的效率和距离的计算，高频功率电源和整流技术等问题仍没有得到比较好的解决。而被研究出来的高频电源方案在运用于实际生活中都普遍存在着效率低下、设计复杂等问题的缺陷，并且无线电力传输技术在系统控制方面也存在着较明显的问题。在研究如何能更好的利用无线电力传输技术时，还要考虑电磁辐射对人身是否安全和是否会对周围环境造成不利的影响。由于无线电力的传输不像传统的供电方式那样可以在传输路径上得到很好的控制，它是通过微波的发射来来传输电力的，所以如果有高能量的能量密度出现，则会对人们的身体安全带来影响。还有就是系统整体性能有待提高整体传输效率低。其主要原因还是由于能量的控制难以掌握，科研工作者还是无法达到能量的对点传送，在整个传输的过程中仍然会通过散射的方式来损耗掉一部分能量，这样的低效率甚至是影响整个系统效率的关键因素。但是随着电子传输技术的不断进步，传输的效率也会逐渐提高，所以控制好微波的传输密度也是研究人员目前面临的一个比较严重的问题。
4.我国无线电力传输技术的应用前景
目前，在世界范围内，无线电力传输技术已经被应用与许多领域，比如在便捷通讯、交通运输领域、水下探测应用、航空运输领域、医学器械领域等众多领域，而且有较明显的成就。因为中国对无线电力传输这一快的研究起步比较晚，所以目前还不能将其运用于这么多领域内。但是从目前的研究速度和投入力度来看，我国对无线电力传输技术这一领域的研究是特别重视的，而且每一年都会取得巨大的进步。所以，作者相信在未来的10-20年间，我国会将无线电力传输技术运用于各个领域，将会涉足于工业制造、农业生产、家庭的日常生活以及航空航天的各个角落，从而使我国人民的日常生活更加便捷，提高人们的生活品质并且有效的起到节约能源、电能的作用，为能源的节约开辟了一条新型的道路。当有一天，无线电力传输技术运用于在我国被普遍运用，利用微波传输输电能的技术，来解决电网的死角，将会对我国落后偏僻地区有巨大的影响，将会带动这些偏僻落后的地区走上快速发展的道路。
结语
无线电力传输是一项很有发展前途的新技术，因为其特有的安全性、便捷性而成为了现在人们研究的热点问题之一。尽管它也存在着一些很明显的缺点，如稳定性差、系统传输难以控制、传输效率低等。但作者相信在广大科研工作者的努力下，这一技术的发展将会有更好的条件、更光明的前景。未来，无线电力传输将会完全取代传统的电力传输方式，并且将会不断融入人们的生活当中，逐渐改变人们的生活方式，让人们真正实现过无线生活的梦想。虽然这个过程会经历很多的艰辛，历经很长的时间，会伴随着无数次的实验与失败，但是作者认为只要坚持着不要轻易放弃，就会达到我们所期望得到的目标。
参考文献
关键词：无线电能传输；非接触；磁耦合；共振
作者简介：王敏星（1964-），男，河南济源人，河南省济源市质量技术监督局，工程师；李大伟（1987-），男，河南济源人，河南省电力公司济源供电公司。（河南 济源 459000）
中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0263-03
无线电能传输技术（WPT，Wireless Power transfer）能够实现无导线连接情况下的电能传递，在医学应用、矿井采掘、移动设备充电等特殊场合具有较大的应用前景。随着移动通信设备、物联网、电动汽车等技术的快速发展，近年来发展非常迅速，并且取得了较大的进展。伴随着研究和市场化的不断深入，作为一种前景广阔的电能传输方式，在电磁兼容、人体健康和传输效率等方面都产生新的研究问题，需要进一步明晰研究方向并针对存在的问题深入研究。
一、无线电能传输技术的方式
虽然采用超声波和其他机械波能够无线传输能量，但目前无线电能传输的主流方式仍是利用电磁场传输能量。从频率的角度来说，采用的频率包括从若干GHz跨越到若干kHz的广大范围。在较高频率段，利用微波传输能量（甚高频以上的频率范围，频率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通过控制发射天线的朝向使能量以电磁波的形式准确发射到接收天线。该方法传输方向性较强、传输距离较远，但易被障碍物遮挡，还需要较复杂的天线对准装置。而且高频电磁波的生物安全性较差，高功率的电磁波对人体有较大伤害，因此在民用领域应用的机会较少。磁耦合谐振式无线电能传输方式（MCRWPT，Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer）采用磁场频率在10MHz以下，通过电谐振体之间的耦合磁场来传输电能。这种方法可以在一定的距离（几厘米到几米）范围内传送能量，功率值可以达到几百瓦。而感应耦合无线电能传输方式（MIWPT，Magnetic Inductive wireless Power Transfer）借助磁材料提高磁场的耦合程度，可以传送较大的功率，效率较高。但由于磁材料的限制，工作频率不宜过高，通常在1MHz以下。在距离增大时，磁材料之间的气隙增加，耦合程度急剧降低，因此传输距离相对较近（常常在几毫米到几十厘米）。在民用和工业应用中，磁耦合谐振式无线电能传输（MCRWPT）和感应耦合式（MIWPT）的传输距离基本满足常用设备的充电距离要求，从理论上能够获得更大的功率和更高的效率，因此具有较大前景，是目前研究的热点。本文从几个方面介绍此两项技术的研究与发展。
二、研究内容和研究方向
1.基本理论和技术研究
率及效率的模型研究：目前对无线电能传输方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]电磁场分析方法、[3，4]等效电路法[5]等。
耦合模方法可见文献[1]所采用的基本方程表达式：
（1）
其中：为代表谐振体中的能量；为激励角频率；为自损耗系数；为谐振体m和n之间的耦合系数；为代表外加驱动的驱动项。
其基本思想是，给出系统的源、损耗及特征量，通过求解器损耗与特征量的关系，即求得系统效率及传输功率的解。电磁场方法根据电磁场理论求解电磁场方程，以此求得传输效率等结果。而等效电路方法主要针对磁耦合的特点，利用电路理论求解电路方程，以此获得系统的结果。
几种建模方法各有优劣：耦合模方法可以从能量角度进行分析，但是不够直观；电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[3]，理论上可以计算出耦合磁场能量传输细节。但过于复杂性，不便于系统设计和参数优化。通常借助电磁场仿真软件以求得分部场的直观数值解。等效电路法应用直观，是目前采用较多的方法，但是由于对电磁场进行了低频简化，对高频条件下电磁特性描述较粗略，不利于有关电磁场方面的研究。理论未来的研究方向将建立更加准确和合理的分析模型，甚至提出更加新颖的传输模式，从理论高度提高系统的指标，并以此指导设计和制造无线电能传输装置。
第二，线圈结构及设计。根据电路互感模型的一般结构，如图2所示。
通常可以得到以下矩阵形式的方程：
（2）
谐振条件下传输效率：
线圈2在线圈1中产生的反映阻抗为，可见反映阻抗中负载侧电阻值位于分母中，对于源侧的影响变为负向变化。即负载侧电阻值越高，传输效率越小。实际电路中，通常源内阻和负载线圈侧的电阻RB2往往较大。因此，双线圈结构传输效率往往较低。但根据上述分析，通过改变系统线圈结构和数量，可以改变不同线圈中的反映阻抗，进而改变耦合系统的效率、传输功率和传输效率。因此出现了三线圈[5]、四线圈[1]和多线圈[6]等情况。
第三，参数匹配方法及参数设计。在确定整体结构形式的基础上，还需要计算和均衡线圈的各项参数。线圈按照谐振的形式主要有自谐振线圈和电容-线圈谐振线圈。按照线圈的缠绕方式可分为密绕线圈、平面线圈、螺旋线圈等。电路参数主要有电感值、电容值和电阻值等。对于高频线圈还存在着寄生电容等高频参数。在分析和设计中，对上述参数进行优化，通过增加耦合程度、减少内阻和提高品质因数以提高系统性能。目前的研究主要集中在线圈结构和参数设计等方面，[7]针对线圈的新构形和新材料的研究也是一个重要的研究方向。
2.无线电能传输的激励源
激励源是无线电能传输的核心元件。相对于普通的高频信号源和开关电源，激励源不但工作在高频条件下，而且还要承担功率变换的功能。作为能量传输路径中第一个环节，对无线电能传输系统的总体指标的影响非常显著。而且由于电路中谐振作用，功率元件往往要承受谐振电压或者谐振电流的冲击，其数值会远超过系统输入电压或者输入电流。因此，无线电能传输的激励源设计更加困难。目前多采用的是D类开关型和E类谐振型放大电路。按照功率元件的数量和结构，有单管、非对称半桥、全桥等。该方向的发展方向是实现高频大功率条件下的高效率、低损耗和微型化，设计出更加适合无线电能传输的专用高频激励源。
3.电路结构研究
由于无线电能传输技术的应用范围愈加广阔，需要适应和满足更加苛刻和多样化的工作条件与限制。例如为了实现电动汽车在电网运行中能量缓冲的作用，无线充电装置不仅需要单向充电，而且还需要将能量从电动汽车反向传输给电网。医用领域中对系统的体积和可靠性指标的要求非常苛刻，因此无线电能传输装置既要尽量压缩体积、提高可靠性，而且还要实现能量和信号的同时传输。越来越多新的应用呼唤更加多功能和更强适应性的无线电能传输装置。因此需要提出更多新型的多功能电路结构，以增强电路的紧凑性、可靠性、通信能力、[8]能量控制水平等。[9]
4.标准、规章及医学影响
目前，已经出现了三个主要的无线电能传输标准（联盟），其中Qi联盟成立于2008年12月，目前已推出针对便携电子产品的低于5W以下设备的标准，未来还将会提出更大功率的标准进而形成体系。[10]
对人体影响的疑虑贯穿于整个无线电能技术的发展，这方面的研究始终是重点之一，包括医学相关性、辐射限制和磁场控制等多个方面。目前多采用计算机仿真和人体模拟的方式研究对人体的影响。未来将会进一步深入研究无线电能传输装置的生物性影响；同时，通过技术手段减少磁场泄露和影响，以满足相关的限制性标准。
5.医学应用研究
由于无线电能传输避免了导线的束缚，人体内部植入设备的应用将会变得非常便利，因此无线电能传输在医学方面的应用始终受到最大的关注。[11]但人体内植入设备中，体积要求十分苛刻而且传输路径需要经过人体组织。因此提高微小尺寸线圈的品质因数，提高传输效率[12]和研究高频电磁场对人体组织的影响是目前的主要研究方向。现在，无线电能传输技术在经皮植入装置、心脏起搏器、消化道机器人等方面已经取得了长足的进步。通过无线电能传输技术的应用，未来人体植入医疗设备将会有较大的发展，会大大改变人类的诊断和治疗方式。
6.电动汽车充电装置
由于具有无接触、无连接和无漏电的特性，无线电能充电装置在电动汽车充电领域具有较大的应用前景，已经成为无线电能传输的一个热门研究方向，而且正在逐步实用化。主要分为固定式和移动式两大方向。固定式在充电过程中车体保持不动，其传输距离和传输功率已经能够满足电动汽车底盘高度、电动汽车充电功率的要求。移动式电动汽车无线充电方式可以随时向行进中的电动汽车补充能量，因此可以减少相同运行里程条件下电动汽车所需的电池容量。目前，电动汽车充电技术的主要研究方向是进一步提高传输效率、距离和功率，并且针对偏移情况、双向传输、控制方式等问题展开研究。电动汽车的无线充电技术将会推动电动汽车的实用进程，无线充电技术的需求也将越来越大，市场前景更加广阔。
三、结论
无线电能传输技术经过几年的快速发展，其发展趋势愈加迅猛。未来的研究将更加深入和细致，并且进一步向应用方向推进，实用化脚步愈发加快。随着研究内容更加深入及人们对该技术的逐渐接受和认可，未来其市场和应用前景更加广阔。
参考文献：
[1]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science，2007，317（5834）：83-86.
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[7]Bernd Breitkreutz and Heino Henke，Calculation of Self-Resonant Spiral Coils for Wireless Power Transfer Systems With a Transmission Line Approach[J].IEEE Transactions on Magnetics，2013，49（9）：5035-5042.
[8]Bawa G，Ghovanloo M.Active High Power Conversion Efficiency Rectifier with Built-in Dual-Mode Back Telemetry in Standard Cmos Technology[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2（3）：184-192.
[9]Wang G，Liu W，Sivaprakasam M，et al.Design and Analysis of an Adaptive Transcutaneous Power Telemetry for Biomedical Implants[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2005，52（10）：2109-2117.
[10]S.Y.Hui，Planar Wireless Charging Technology for Portable Electronic Products and Qi[J].Proceedings of the IEEE，2013，101（6）：1290-1301.
1.1基本结构
磁耦合谐振式无线电能传输系统大多都是两线圈结构和增加两个线圈组成的四线圈结构。整个能量传输系统分为能量发射端和能量接收端两部分，其中能量的发射端包括发射能量线圈和高频率的电源，能量接受端包括接收线圈和谐振电路板及负载电路。
1.2工作原理
磁耦合谐振式无线电能传输技术的工作原理是导线缠绕制成的发射线圈（空芯电感）与谐振电容共同并列形成的谐振体。谐振体所容纳的能量在电场和磁场之间或者自谐振频率在一定空间的随意振动，在此基础上产生的以线圈为原点，以空气为传输媒介时更换磁场。能量的接收端是由接收线圈带有一个单位电容组成的谐振体，在相同条件下的谐振频率与能量发送端频率相同，并能够在所能感应的磁场与电场之间进行自由的谐振，实现两个谐振体共同的交换，在交换的同时谐振体之间也存在着相同频率的震动以及能量的交换，这就叫做两个谐振体共同组成的耦合谐振系统。
2磁耦合谐振式无线电能传输技术研究现状与热点问题
2.1传输水平
磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种中距离传输电能的方式，很多研究者都对其进行了深入的研究，对于技术传输水平的研究主要体现在传输效率和传输距离上，与系统共振的频率有关。一般普通的谐振频率都选用13.56MHz的频率，需求比较高的系统采用比较高端的频段。
2.2传输特征
磁耦合谐振式无线电能传输系统在传输过程中具有以下特征：一是频率分裂和调频技术，频率分裂是指在整个系统线圈传输结构中，随着传输距离的减少，传输的速率也会出现不同的值域；二是在传输结构中加入中继谐振线圈和接收终端的线圈。在具体的设备中结合多个中继谐振线圈和接收线圈的结构中，对传输系统进行研究和分析，可以充分说明系统不受弱导磁性物体的影响；三是磁耦合谐振式无线电能传输系统只有在一定的水平位置角度移动下才能实现较高速率的无线电能传输。
2.3新材料的应用
无线电能传输最重要的就是实现传输的高效率、传输的距离长、传输功率大，但是由于多方面原因的限制，无法实现上述三个目标。在磁耦合谐振式无线电能传输系统中是利用附近外界的能量进行传送的，主要的耗损有欧姆损耗和辐射损耗。在这种情况下，提高速率，首先要减少欧姆损耗，利用超导材料可以实现这一目的。2.4干扰问题无线电能传输线圈会受人们日常生活用品摆放位置的影响。当用品靠近线圈时，会导致系统传输谐振频率的偏差。根据实践证明，无线电能传输对干扰源的频率非常敏感，离线圈越近，影响越大。
3磁耦合谐振式无线电能传输技术需要解决的问题和发展的趋势
磁耦合谐振式无线电能传输技术在发展中已经取得了比较大的成果，但是在个别方面的研究还不够深入。首先关于磁耦合谐振式无线电能传输技术没有形成一套完整的设计方法；其次，系统参数没有进行有效的分析以及校正；再次，对于系统应用中与实际相关的内容没有进行解决；最后这种技术需采用高强度的磁场，但至今没有在如何减少磁场危害上达到共识。
4总结
华丽登场
人造电能发现之初，就有人潜心研究无线传输电能的可能性，只不过当时的方法和原理研究无法达到实用的阶段。在无线电发展了100多年之后，这种无线传输电能的方式再次被关注。
2007年6月，来自麻省理工学院的研究人员通过电磁线圈实现了距离2米的60W电力的传输。他们采用了全新的思考方式，采用了两个能够实现共振的铜线圈，依靠共振进行能量的传输。这跟声音的传播原理类似，唯一的好处就是能量损失更小，而传播的能量密度更高。
随即，专门关注无线充电的组织―无线供电共同体（Wireless Power Consortium）成立，他们现在的目标是通过120KHz的频率，传输100W以上的能量。这个组织收罗了电源控制模块的领军厂商National和TI，罗技、飞利浦、奥林巴斯以及三洋和飞利浦的ODM厂商深圳桑飞也可能成为其用户。
从此，无线电能传输揭开了新篇章。
最先受到鼓舞的是手持设备厂商。他们想通过更多的功能吸引用户，但是电池局限使得很多创意无法实现，或者实现成本过于高昂。受到无线传输电能的启发，Palm开始了新理论的夺冠之旅―最新的Palm pre将成为首批支持无线充电的手机，籍此在创新层面上超过了苹果。
在Palm的网站上，有关于这个创意有长篇累牍的报道，这个特性会大大吸引那些对充电特别恐惧的用户。拥有这个新功能，用户只需要把设备放在特定的充电板上就可以了，而不需要专门的接口。
这是磁共振技术的新发展。与麻省理工学院研究的长距离电能传输不同，这种研究专注短距离的无线电能传输，通过垂直的磁场耦合实现电能的传输。这个技术能够提供小功率场合，满足不同小功率器件的充电需求。
作为最早研究无线充电的公司――Convenientpower，它推动了这个技术的发展。根据他们的介绍，这个座落在香港的公司能够为几乎所有的掌上设备提供无线充电解决方案。
如果面对超过50W的需求，这种技术有它的局限性。Fulton的技术更具有实用性，他们的产品能够实现智能的耦合搜寻，传输的能量也更大。最高可以传输120V/1.4KW的能量，那就意味着吸尘器都可以不用电源线。Fluton也把它们的重心放在了家庭厨卫需要大功率电器方面。
比如提供一个电源桌子，上面可以任意摆放多个设备，只要总功率不超过限制就行。这样插座、线头就要省去很多，操作的自由感觉也很好。在一个视频里，演示的工作人员把榨汁机摆放在无线供电的桌面上，相当有吸引力。
这样，在无线供电共同体中，已经涵盖了小功率的方案和大功率的方案。
关键在模块
我们可以省去烦人的各种充电器。只要一个合适的充电耦合板就行了。Wildcharge已经在提供类似的产品，只不过产品非常昂贵，而且是针对某些特定的手机才有解决方案。目前，无线充电还没有成为手机等手持设备的标准配备，因而改造和定制生产的成本还相当高昂。
Wildcharge的一个方案报价高达80美元。对于目前的手机价格，这虽然无法被轻松接受，因而无线充电暂时可能无法带来市场方面的热捧。但是，相信任何看了这个技术演示的用户都会被深深吸引。
Wildcharge提供的技术类似于Convenientpower公司，属于近距离的电源传输。虽然不需要手机与充电器有插座接触，不过还需要放在特定的区域。但是与烦人的插座比起来，这已经有了巨大的进步。
Wildcharge能够提供15W电力，因而可以满足多个手持设备的充电。现在唯一的问题是如果没有内置的无线充电模块，这种充电设备将无法发挥作用。
Palm Pre采用的充电模块与之类似。它同样提供一个充电坞，不同之处在于充电器本身与手机是不需要有金属接触的，放置的方式也可以随心所欲，只要满足两者的无线电能传输即可。
这也就意味着在未来的家庭和会议室里，随处充电将成为可能。
无线充电模块是改变这一切的关键。只要一个大一点的充电模块就能解决所有问题，而不需要携带过多的设备。
这种方式对于军用和医疗同样有用。现在军人承担了战争信息终端的功能，他们背负的东西越来越多，电池消耗同样巨大，其中有各种连线。根据美国国防部的报告，他们的士兵如果执行4天的任务，背负的电池将达到20公斤，而且过多的连线将大幅度降低可靠性。
移动医疗照明如果省略了长长的连线也将大幅度降低很多操作的复杂度。因而，无线电能的传输，从IT技术中成长，也将必然惠及多个领域。
从制造和设计的角度，我们将节省更多材料，这也是相当环保的主意。以现在40亿部手机的保有量来看，未来一个手机一个充电器的模式将被抛弃。笔记本电脑也是如此，如果在所有的桌面上提供类似的充电方便，手持设备受到电池左右的历史将被重写。
因而，无线电能传输将节省很多材料，并且拥有巨大的灵活性，多个设备可以共享一个充电设备而不需要进行多次的变换。如果大功率的版本可以实现量产，家庭里的很多设备几乎不需要再有插座之争了。
各种标准的插座也将成为历史。因而，无线“电”是相当值得期待的。
丢掉插座
新的磁共振方式解决了一个大难题，无线传输的损失几乎降低到了可以忽略的地步。Fulton的设备可以实现98%的能量传输，比通过连线的方式效果还要好。
因而，在我们的未来生活里，手持设备全面换用无线充电毫无疑问。在我们的未来家装中需要考虑的不是插座的位置，而是电源板的位置。如果Fulton真的能够把1.4KW的功率实现传输，那么，多数设备的插头都可以取消。
每个桌面都可以成为电源板，放在电源板上就可以实现电能的传输。对于笔记本电脑和投影机等设备尤其有用，那些有充电烦恼的用户，将手机放在桌面上就可以实现充电，而不必为忘了充电烦恼。
这个模式可以从手持设备中蔓延。电视、电脑甚至地板，都可以构成类似的区域，只要在地板上行走，带有线圈和发热模块的鞋子就能产生热能，从而实现更有效率的加热。甚至在衣服上构筑空调系统也不是不可能。
现在，各种充电设备无法统一，都各有标准，根源在于接口和金属链接的限制使得设备无法统一。比如，在理论上，笔记本电脑的电源也可以为手机充电，接口的不统一限制了这种可能性。
特斯拉构想
100年前，交流电的发明者美国人尼古拉・特斯拉从闪电中获得灵感，设计了“特斯拉线圈”，这是一种分布参数高频共振变压器，可以轻松获得上百万伏的高频电压。游戏《红色警戒》系列里面的电磁塔（特斯拉塔）就是根据特斯拉线圈设计的。
后来，特斯拉发明了所谓的“放大发射机”，现在称之为大功率高频传输线共振变压器，用于无线输电试验。特斯拉的无线输电技术神乎其技。特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过他的放大发射机，使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同，而与交流电力网中的交流发电机与输电线的关系类似，当没有电力接收端的时候，发射机只与天地谐振腔交换无功能量，整个系统只有很少的有功损耗，而如果是一般的无线电广播，发射的能量则全部在空间中损耗掉了。
无线充电的发展
在石油资源日渐枯竭的今天，无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义，因此许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年，美国工程师Peter Glaser提出了空间太阳能发电(Space Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能传输回地球，并通过整流天线把微波转换成电能（如图）。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划――建立太阳能卫星基准系统。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。
香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种无线电池充电平台，可将数个电子产品放在一个充电平台上，透过低频电磁场充电，充电时间与传统充电器无异，技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理――变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads，就是变压器原理商业化的无线充电产品。
在2011年日本最大的无线通讯展（Wireless Japan 2011）上，研究人员展示了一款二维通讯设备。当用户将电子设备放在平板上时，系统会在设备所放位置的特定领域聚集电磁波，而不是在整块平板上均衡地发散。如此一来，只有设备放置处的导电膜片（conductive sheet）才会收到电磁波。这种方法不仅可以集中传输电力，还能提高节能效率，这样绝大部分的能源就被节省下来了。
无线电能传输有电磁感应、电磁共振和微波三种基本方式，这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。其中电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发，收发设备需要有较高的识别能力，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。电磁共振方式是利用电磁波通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。微波方式是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后使用。几种技术各有特点，近来电磁感应和电磁共振技术取得了突破，更适合日常应用。
无线充电的未来
由线圈旋转切割磁场产生的电流，两个设备中分别使用了一个具备振荡电路特性的线圈组成一对收发天线，让其中一个天线发送能量，另一个天线则接收能量。当向其中的发送线圈加载数兆赫兹的交流电场之后，其天线周围产生磁场，通过相同频率共振向处于一定距离之外的另一根天线传输电力，从而实现无线电力传输。英特尔西雅图实验室就试制出了这样的磁场耦合共振电力收发器，可以在2米距离内无线给60W灯泡提供电力。英特尔首席技术官Justin Rattner表示，未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部，只要将笔记本、手机等放在桌上就能够立即供电。笔者认为这才是无线充电技术的未来。
无论是电磁感应，还是电磁共振技术，效率都和产生磁场的线圈大小有关。如果要将它内置到充电装置和笔记本、手机等便携设备中，就必须精简线圈尺寸，发送和接收效率自然也会随之下降，因此需要更先进的控制芯片以及收发电路设计使无线电能的传输效率提升到75%以上，从而让无线供电的效率更高，充电时间更短。
不过距离也是无线电力传输的一大障碍，距离越远损耗越大，接收端能感应到的电能也就越少。然而在通常情况下，当接收端天线的固有频率与发射端的磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。不过，这种电磁场的频率可能对设备内部的其他部件造成干扰。
在未来，我们可以将无线充电装置放在办公室、旅馆和机场的顶部，只要身处发射共振有效工作距离之内，就能立即为笔记本、手机无线充电，就像现在已经十分普及的WiFi无线上网一样简单。人们不再需要随身携带充电器，不再为各种不匹配的接口而发愁，也不必为延长待机时间而使用笨重的电池了。也可以在自家的墙上安装一个电力发射器，这样所有的家用电器也可以实现无线充电。
日本成功实验无线输电，点亮500米外LED灯之前，我国天津工业大学一支研究团队就在高铁列车无线供电方面取得重要进展，解决了长期制约高铁列车安全的技术难题，而且这项成果是入选2014中国科协夏季科学展的17项前沿科技成果之一。
如果说无线输电技术还属科技前沿，但无线充电技术已来到我们身边。手机、平板电脑、相机、笔记本……这些移动电子产品改变了我们的生活和娱乐方式。但这些移动电子设备都离不开电，走到哪儿都要充电。而伴随着无线充电技术走进人们视野，充电的烦恼也即将一扫而光。
谁都知道，手机是最先引入无线充电技术的电子设备。华南理工大学电力学院副院长张波告诉记者，现在已涌现出许多手机无线充电板，但在使用中还存在充电距离、效率以及充电设备体积问题。“但随着人们对无线技术的认识和输电水平的提高，在手机无线充电领域取得大的突破甚至产业化前景乐观。”
据了解，目前手机无线充电板多采用电磁感应方式进行电能传输，这种方式传输距离较短，给人“无线”印象还不太明显。
“手机无线充电技术已开始应用，将来还会有更新突破与进展。”哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波透露，哈工大研究团队正在攻克较远距离的手机无线充电技术。
事实上，手机无线充电只是作为应用于诸多小功率电子设备的代表，无线充电技术的应用其实正延伸到更大功率的电气设备上，如海尔即将上市的无线供电无尾电视和无尾厨电。
与手机和无尾电视相比，人们对电动汽车无线充电想象更加动人。
“电动车本身还没得到普及，电动汽车的无线充电更无从谈起，但技术上还是越来越近了。”朱春波告诉记者，电动汽车有多种能量补充形式，但对比传统传导式充电，无线充电在安全性和接口标准化方面具有无可比拟的优势，这些优势可能会促进电动汽车的普及。
美国新闻纪录片《谁杀死了EV1》中的EV1是美国加州一款新型电动汽车，受到地方政府和老百姓的喜爱，但在电影结尾中这款产品被扼杀，原来通用公司的大股东们都是石油巨头，电动汽车的发展影响到他们的利益，正是他们杀死了深受百姓喜爱的EV1。在这部纪录片中，EV1最早用到了非接触充电技术，凭感应式充电器，充电时避免了人身伤害危险，非常安全。
2012 年，美国斯坦福大学首次提出“驾驶充电”概念，为电动汽车充电提出了新的解决方案，这意味着电动汽车可不必停下来充电而无限地跑下去。
设想一下，如果有一天，人们边开车边充电（需在道路设置无线充电装置）、停进车库按下按钮也可以充电。届时，这种动态充电与静态充电结合的电动汽车，将变成不折不扣的“傻瓜”车。
而在特殊应用领域，无线充电技术早已崭露头角。在水下（海底）移动装备的非接触电源接入、生物医电、旋转式设备、无线传感器等方面，无线输电技术正发挥着重要作用。
“目前，微小功率的无线输电技术实际应用已取得可喜进步，研以致用，以用促研。可以预计，再用10到15年时间，无线输电技术必将得到大面积推广应用。”重庆大学自动化学院党委书记、电力电子与控制工程研究所所长孙跃对无线输电技术充满信心。
无线输电的前世今生
尽管无线输电技术在今天看来属于前沿新兴科技，但早在一百多年前，“无线输电之父”尼古拉・特斯拉就对无线输电展开探索。
19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的尼古拉・特斯拉，曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在纽约长岛建造了无线电能发射塔，设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离无线电能传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。
2007年6月，美国麻省理工学院的马林・索尔贾希克研究小组宣布，利用电磁共振技术成功点亮了一个距离电源约2 米远的60瓦电灯泡，电能传输效率达到40%。该项技术的引起世界范围内磁谐振无线输电装置的研发热潮，德国、日本、新西兰等国家很快跟进了这方面的研究。
麻省理工学院的研究成果陆续发表后，国内还鲜有人知道磁谐振无线输电技术，因索尔贾希克的文章是从物理学角度阐述的，这对国内电工学研究者来说并不容易理解。
2008年，张波和他的学生对磁谐振无线输电用电工学的方法做了原理性解析，并做出实验进行验证，文章发表在《中国电机工程学报》上，成为后来国内无线输电技术研究者的必读文章。
彼时，朱春波正在哈工大开展无线传感器网络应用方面的研究，他发现无线传感器网络发展瓶颈技术之一就是供电技术。比如埋在路面或建筑物里的无线传感器，电池电量耗尽就宣告无线传感器的“寿终正寝”。受到索尔贾希克的启发，朱春波带领学生闯进无线供电这一陌生领域，成为国内研究无线输电的一支重要力量。2010年圣诞节前，他的学生运用磁谐振技术把1.5米高的圣诞树上的二极管彩灯点亮，还申请了专利。朱春波告诉记者，时至今日，尽管对无线输电领域的研究仍处于起步阶段，但人们已表现出越来越多的兴趣，对未来摆脱充电插头充满期待。
“一直以来，人们总是在不断寻求无线输电实用技术方案，并着力推进无线输电技术的实用化发展。”孙跃说，就目前技术成熟情况来看，无线输电技术主要还是解决移动电气设备的电能非接触接入问题，为人们更加便利和安全使用移动电气设备提供有效解决方案。
无线输电仍需技术突破
孙跃指出，尽管国内外在基于电磁感应耦合模式无线电能传输技术方面的发展及应用推广迅速，但目前在功率容量、传输效率、传输距离及电磁兼容等方面仍待进一步突破。
张波则认为，目前电磁感应、磁谐振等磁场输电技术相对成熟，但受限于周围环境影响等因素，传递效率和功率均无法满足人们日常需要，这可能意味着人们还未探索到磁场输电的“终极理论”。
“自然界都有它自己的规律，磁场传输能量肯定是有其路径，只是我们还没找到这个规律，这需要学术界下大力气去探索。”张波对记者说，这可能需要信息、控制、电子电力、材料甚至数学物理等学科交叉研究攻关，一旦探索到磁场传输电能的法门，其意义不亚于光纤的发明。
【关键词】效率自校准 无线充电 磁共振 零电压开关
随着当今科技的高速发展，对于电能的需求呈现出几何级数形式的爆炸性增长。当下每个人的工作与日常生活都与电能使用紧密相关，但各种移动电子设备对于充电装置的不同要求，以及各个国家的电网电压具有不同量化标准的矛盾，令传统的有线充电方式极大地制约了移动设备充电在便携性和方便性上的发展，使之无法满足现代社会人们不受地点约束，快捷高效地为移动设备充电的要求。因此无线充电技术的运用受到越来越多的关注。
目前无线充电技术主要有三种类型：感应耦合电能传输技术、磁共振式电能传输技术以及远场辐射技术。其中感应耦合技术原理实现简单，但是传输距离过短，同时线圈的横向位移以及频率变化对于传输效率的影响过大。远场辐射技术借助激光束传输电能，目前该技术的研究仍处于理论探究阶段，难以实现。而磁共振式无线充电技术是中等距离的无线电能传输技术，在固定坐标下能量损耗小，并且传输稳定、电磁辐射对人体影响极小，但是线圈在与之垂直的圆面上发生角位移时，也会对传输效率产生较大影响。因此磁共振式无线充电系统中采取针对线圈姿态的调整来校准效率的环节变得尤为重要。
1 磁共振式无线充电理论模型的分析
谐振是一种自然界中十分普遍的现象，并且具有众多形式。而在电路理论中，以LC并联谐振电路和LC串联谐振电路为例，其本质上都属于在电场中发生的强烈共振现象。
而在磁共振无线充电技术中，导线绕制的线圈等效为电感，与电容相连构成谐振体，该谐振体所具有的能量可以在电场与磁场之间以其自谐振频率自由振荡，同时产生了以线圈为中心、空气为媒介的时变磁场；另一方面，与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的另一谐振体则会感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率自由振荡，使得两个谐振体之间不断地有磁场能交换，进而产生以两个线圈为中心、以空气为媒介的时变磁场。两谐振体内的电场能与磁场能振荡交换的同时，伴随着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。
当发射线圈、接收线圈采用并联谐振耦合电路时，此时的系统传输效率可以用式（1）表示：
式（1）中，Us为发射线圈所接电源电压，ω为频率，Z1，Z2为发射端、接收端的等效阻抗，RL为接收端所接负载的电阻大小，而发射线圈与接收线圈的互感M可近似由式（2）表示。
上式中，μ0为真空磁导率，N为所用线圈匝数，γ为所用线圈半径，d为发射线圈与接收线圈之间的空间距离。
由式（1）以及（2）可以看出，在线圈绕制的参数和谐振体中的电容选择完成之后，整个系统的传输效率只与频率与线圈之间的空间距离有关。而在当发射回路和接收回路都处于谐振状态时，并且发射线圈与接收线圈位置固定时，最优的系统传输效率大小主要取决于发射线圈与接收线圈的平面关系，如图1所示。
2 效率自校准的磁共振式无线充电系统设计
效率自校准的磁共振式无线充电系统构成如图2所示。本套系统主要一方面以磁共振方式进行无线电能传输，整体电路通过采用ZVS零电压开关技术和直流-交流-直流的变换，克服常规磁共振产生方法损耗大，电路元件多，控制驱动复杂等不足，进而实现电能的无线高效传输。另一方面则通过陀螺仪采集到的姿态信息进行判断，借助伺服电机对发射端进行功率和姿态调整，达到电能传输的最大效率。
效率自校准的磁共振式无线充电系统由主电路和控制电路构成。
在主电路部分，可以划分为发射电路和接收电路。发射电路主要采用ZVS零电压开关电路，具体电路如图3。在整个过程中利用电感电容的并联振荡（LC并联谐振）令上管Q1和下管Q2轮番实现零电压开关，并且同时反过来利用MOS管的通断对LC振荡补充能量。通过调节振荡电容和发射线圈的电容，控制起振的频率，这样既减小了MOS管的开关损耗，又调高了谐振频率，增大传输效率。同时由于采用自激振荡，不再使用外部的信号来控制MOS管的关断，就避免了MOS管驱动电路，简化了系统电路，而且不再受外部信号频率的影响，只需保证f发射LC=f接收LC 即可，振荡频率的调节变得简单。
在接收电路中，对比于发射电路，拓扑结构较为直接，采用接收线圈与电容并联谐振，接收由发射电路传输过来的能量。然后经过半波整流，进一步减小整流二极管的损耗，同时采用两个二极管并联的方式，降低二极管的导通电阻，从而提高接收电路的输出效率。
在控制电路中，采用以32位的高时钟频率的主控芯片进行控制。控制流程图如图4所示，先令接收线圈沿轴转动半圈，在转动的过程中，同时刻采集接收回路的输出效率与接收线圈上所安装的姿态传感器的角度值，在进行卡尔曼滤波以消除机械抖动带来的角度误差之后，将同时刻的输出效率与角度值一一对应，制成列表；用快速排序算法处理表内数据，找出效率出现最大值时对应的角度值；将角度值输出给PID控制器，以便快速地调整发射线圈上所安装的伺服电机带动发射线圈转动至期望角度。伺服电机动作之前的一系列步骤为自校准过程。
3 实验与分析
设计并制作了一台50W的小型效率自校准的磁共振式无线充电装置，如图5所示。发射线圈与接收线圈均为4匝，半径为0.24m（线圈的绕制采用外径6mm，厚度1.5mm紫铜管材料，感值为12微亨），谐振补偿电容为235皮法。该系统中控制部分采用了MPU6050型号的陀螺仪和PDI-6221MG伺服电机。发射端与接收端之间距离，接收线圈的转动角度为实验的自变量，整个系统的传输效率为实验的因变量。
表1为未加入效率自校准控制时，发射端与接收端之间距离为d=10cm、15cm、20cm情况下，发射线圈竖直放置，而接收线圈分别顺时针转动和逆时针转动下的接收电路的传输效率。
由表1可以看出，在发射端与接收端固定距离的情况下，接收线圈的转动改变了发射线圈与接收线圈的平面关系，从而影响了整个系统的传输效率，而从实验数据中不难发现在固定距离下，当发射线圈与接收线圈保持平行状态时，传输效率达到了最大，这也正是控制电路所期望的目标。
在增加了效率自校准控制之后，与之前的实验条件相同的情况下进行对接收线圈的旋转，最终得出图6中的实验结果，即无线充电装置的传输效率长时间内较为稳定的保持在最大值上。
4 结束语
本文通过对磁共振式无线电路传输与零电压开关电路传输原理及模型分析，设计了无线充电系统，并给出了能实现效率自校准的控制环节进行配合控制，当合理得选择系统所需参数时，电能传输效果良好。由实验可见，所设计的基于效率自校准的磁共振式无线充电系统工作稳定，具有一定实际使用价值。
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【关键词】RS485接口电能表；无线电子表；载波电子表
1.引言
随着电力工业的发展和电力商业化运行的需要，传统的手工抄表，费时，费力，准确性和及时性得不到可靠的保障。数据的准确度和及时性，直接影响营销及相关部门进行更深层次的分析，电力企业对电能表数据的自动抄读和计量管理信息系统的应用日益重视。电能表数据自动抄读的及时性和正确性直接影响到电力企业的工作成本和计费效率，因此随着科技的不断发展，越来越多的电能表数据抄读技术被开发并投入使用。要配合的相应自动抄读技术的使用，首先就需要电能表数据传输技术方面的相应发展。为配合多元化抄读技术的试验和实施，计量部在2009年检定的单相电子式电能表就有RS-485接口单相电子式电能表、单相载波电子式电能表和单相无线电子式电能表。
2.三种单相电子式电能表的抄表方式
电能表的抄读技术大致可以分为本地抄表技术和远程抄表技术两大类，这两种抄表方式并不完全分立，在一个电力管理系统中是可以同时存在。就计量部2009年检验的三种单相电子式电能表而言，基本上都可以实现本地抄表和远程抄表，在实际工作中这两种方式各有侧重，互为补充。
2.1 RS485接口单相电子式电能表抄表方式
广州地区从2006年开始安装RS485接口单相电子式电能表，至2009年底已完成了将近九十万只电能表的检定和配送工作，数十万只电能表已经在现场投入运行，是广州地区应用最为广泛的单相电子式电能表，下文将从本地抄表和远程抄表两个方面进行分析。
2.1.1 本地抄表方式
RS485接口单相电子式电能表本地通信抄表技术，是利用RS485总线将小范围的电表连接成网络，通过红外或RS485设备进行现场抄表。RS485技术是传统的总线式联网方案，该技术在多功能电能表和关口电能表中有较为广泛的使用。其RS485抄表构成技术示意图如图1。
由采集器通过RS485网络对电能表进行电量抄读，并保存在采集其中，再由抄表器定期抄读采集器内数据，抄表器与计算机管理系统进行通信，实现电量的最终抄读。RS485抄表技术可以很容易和其他抄表手段相结合，能更有效的实现集中抄表目的。
2.1.2 RS485总线式远方抄表系统
RS485总线式远方抄表系统采用RS485网络通信方式，相关技术在我国电力行业中有一定程度的使用。其系统构架框图举例如图2所示。
抄表集中器通过RS485采集带RS485接口的电能表电量，抄表集中器可通过RS485专线传送给中继器，由中继器通过通信网络将有关数据传给中心计算机。总线式抄表系统的主要特点是数据通道稳定，传输速率快，不受外界温度等环境变量或负载变化的干扰，并能实时监控电能表使用状态，可远程人工点击软件按钮拉闸断电和合闸送电，方便电路检修。
2.2 单相载波电子式电能表抄表方式
电力载波通信是一个很早就已经提出并且已经应用的技术，最大的优势就是可以利用电力线网络作为一种传输介质，抄表系统简洁，成本低廉，如果技术成熟，将是电力抄表系统的最佳通信资源。单相载波电子式表是应用电力线载波通讯技术与电子电能计量技术研制的低压电力线载波自动抄表电能表，其与电力线载波抄表集中器和中继器及管理主站一同组成低压电力线载波自动抄表系统，完成计量数据远距离传输和通断电控制功能。
载波抄表是通过中心计算机把信号发送到抄表集中器后，其通过电力线将信号发送到载波芯片，载波芯片动作后将数据通过电力线返回到抄表集中器存储，中心计算机再从抄表集中器读取数据，如图3。
但由于载波式远方抄表有线路阻抗无法匹配、线路衰减大、时变性和区域性大等问题，在实际使用中采用了过零点点至技术和直序扩频通信技术等方法，为实现在低压电力线上可靠传输数据而改进。低压载波抄表技术及产品自90年代中期进入我国，经过多年的发展部分产品水平已达到实用要求，也已经部分地区居民用户集抄中占有一定比例。
2.3 单相无线电子式电能表抄表方式
无线通信技术是传统的数据抄收手段，该技术在多功能能电能表和关口电能表中有一定程度的使用，近年来因居民单相表计数量上的增加和对抄表及时性的要求，广州地区也开始引进单相无线电子式电能表，该表可利用无线通讯技术与微机实现通讯，具有计量准确、通信可靠、抄表方便，可以远程监控、远程维护。其工作技术构成如图4。
无线抄表系统可以摆脱人工抄表的麻烦，利用数据通讯协议传输数据。可以很容易地和其他抄表手段相结合，能更有效的实现抄表目的。同时也可以通过现场通信手段的改造，较为容易地实现远程抄表。
3.三种单相电子式电能表的检定情况
3.1 RS485接口单相电子式电能表检定情况
广州城区自从2006年开始引入RS485接口单相电子式电能表，截止2009年底共对近九十万只该类型电能表进行首检工作，涉及的电能表生产厂家从原来的一家发展到2009年的六家，而历年的首检合格率如图5所示，合格率都稳定地保持在99.94%-99.95%，表示各厂家的RS485接口单相电子式电能表的生产工艺相对已经较为成熟，产品的技术参数都较为稳定。
通过对在首检过程中发现的505只故障电能表分析，并对其故障原因进行整理得下图6。
由上图可以看出电能测量基本误差不合格占电能表故障原因的一半，经分析发现造成该情况主要牵涉到电能表内部的几个元器件和组装焊接工艺等方面；其次是直观检查和通电不合格项及多功能试验不合格，涉及到电能表的外壳损坏、开路、485芯片故障等多个方面因素。
3.2 单相载波电子式电能表检定情况
广州地区从2009年开始引入单相载波电子式电能表，第一年度计划共为4275只，其中首检发现不合格电能表1只，合格率达到99.98%。不合格电能表的判定原因为“不发脉冲”，据分析是其内部电能计量专用芯片发生故障所致。
3.3 单相无线电子式电能表检定情况
2009年广州地区第一次购买了630只单相无线电子式电能表，其首检合格率为100%，并未发现不合格电能表。
由于单相载波电子式电能表和单相无线电子式电能都是首次、而且是小批量进入广州地区，因此其首检量并未有足够的代表性。但我们可以通过对上述三种单相电子式电能表的工作、特别是抄表方式的差异去进一步研究它们各自的技术特性，在其后的首检过程中继续有针对性地积累关键元器件的运行数据机故障情况，为日后的检定及现场运行、电能数据抄读等工作做好技术准备。
4.结束语
随着电能计量的要求提高，电能表数据抄读的技术发展，各种抄读方法特别是居民用户的远程集中抄表技术将逐渐成熟，并将陆续投入实际运行中使用。因此可以预见的是，将会有更多带有新抄读方式的电能表进入广州地区。作为电能表的首检部门，除了要继续提高自身对电能表本身技术参数的认识外，还应该对各种电能表运行和抄读知识进行了解。只有明白电能表在运行中和抄读中的工作原理和状况，才能对每一个检定项目的具体作用有清晰的了解，提高自身工作的认识和针对性。随着社会的发展和用户对电能要求的提高，电力供应部门也将要不断提升自身的服务质量，电能表除了对电能进行计量外还将通过各种远程抄录数据方式对电网和用户用电情况进行远程监控和管理，建立一个高效完善的电能计量管理信息系统。
参考文献
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[2]陈向群.电能计量——技能考核培训教材[M].
作者简介：
关键词：无线输电；电磁耦合；特斯拉线圈；共振线圈；太空输电
引言：随着人们对世界的探索和对知识的融汇，诞生了很多无线的高科技产品，如无线电话，蓝牙耳机，红外传输，无线鼠标……大家是否盼望电能的传输也能像电话一样开启无线的时代，相信在未来的不久输电的无线时代会逐步走进人们的生活。无线输电严格来讲就是无线电源，一切用电设备将不在需要连接电源的导线。
无线输电优点
电能作为一种能量，传统的电能传输主要是靠导线或导体进行输送，但是从发电，输电，变电，配电，用电在这些复杂的环节中，要使用大量的导线，杆塔，变电设备和换流设备，对电网的日常维护也是离不开的。无线输电能够省去电力输送过程中的诸多环节，使电能输送变得更为经济。而且传统的蓄电池也可以不再需要，因为无线输电可以直接将电能输送到用电设备，比如笔记本，手机，电动车……这样就可以为人们的日常生活带来了很多的方便，摆脱了电线及充电器的束缚。所以将电能输送无线化是有很大前景的。
无线输电原理
特斯拉无线输电：尼古拉·特斯拉这位架起电与磁之间桥梁的科学巨匠，也是最早提出无线输电的大师。他的理论是将低频高压电流转化为高频电流，然后再由空气作为传输媒介来输电。经常看到的特斯拉线圈就是能够生产出既高频又低电流的高压交流电。而且在一次记者招待会上，特斯拉做出了一个经特斯拉线圈产生的高频电流经过自己的身体，使一颗无线灯泡发亮的展示。特斯拉线圈的线路和原理都很简单，本质是一个可以获得高频电流的变压器。后来特斯拉又发明了放大发射机，也就是现在的大功率高频传输共振变压器。特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过放大发射机，这种放大发射机特有的电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起了低频共振，利用地球表面的电磁波作为媒质来传输能量。可惜特斯拉有生之年没有财力实现这一发明，在这位巨匠陨落之后，这项技术被搁置，目前此技术又被重新研究。特斯拉线圈结构如图1所示
图1
电磁耦合共振的无线输电：这种技术已经得到了应用，并且制造出了一些科技产品，为数码相机，手机，笔记本进行无线感应充电。既然是感应充电，需要将用电设备置于感应装置上才能对其进行充电，即充点垫。此技术尚在研究阶段，感应距离是很微小的，远远不能满足输电的要求。近日麻省理工学院的一个研究小组在2米的距离内实现了无线输电，但是传输效率只有40%。这种无线输电的原理是：采用两个耦合共振线圈，一个线圈接电源成为送电端，另外一个为接收端。让两个线圈具有相同的频率，线圈之间就可以进行电能的输送，这两个共振线圈不会被其他频率的物体所干扰，因此可以让两个耦合共振的线圈透过同一磁场传输电力，相当于开启了一个电能传输的通道。
电磁耦合式无线输电是一种基于电磁感应原理的输电方式，可以达到输电设备与用电设备间非物理接触就可以传输电能的效果，也是目前极有可能成为无线输电的技术手段。该系统主要由三个部分组成，能量发送端，无接触变压器和能量接收端。简化图如图2所示
图2
由于这种系统属于疏松耦合系统，传输效率低，为了提高传输能力，初级变压器通常采用高频变压器。无接触变压器是系统中的枢纽部分，对稳定电流，高效传输起决定性作用。能量发射端由整流滤波电路，高频逆变装置和控制电路构成，与变压器的初级相连。能量接收端由输出整流滤波器和控制电路组成，与变压器次级相连。系统简化图如图3所示，耦合程度如图4所示。
图3
图4
无线输电前景展望
无线输电的科技实践，证实无线输电理论切实可行。如果将这种无线输电的方式扩展为太空输电，那么能源是取之不尽用之不竭的。太阳内部热核反应所造出的太阳能是非常巨大的，太阳每小时所释放的能量，可供人类使用5万年，然而辐射到地球的能量只有22亿分之一。若将太阳能尽可能利用，则可以解决全球因煤炭发电，引起的全球变暖问题，同时环境污染得到了有效遏制，届时人类将会用到廉价、清洁、 可持续的能源。
由于地面受云层等天气状况的影响，不利于阳光的收集，但是太空中阳光的辐射强度是地面的15倍，从地表发射一个带有单晶硅太阳能电池板的卫星，其高度超过35800公里后没有云层遮盖，昼夜变化，四季之分，相对位置与地球保持不变。将电池板收集储存的能量通过无线输电的技术传送到地表，然后通过无线输电技术将其输送至千家万户。这将是人类能源利用的一次革命性突破，会给各科领域带来新的辉煌。其简化图如图5所示。
结束语
本文将特斯拉线圈的电磁感应与电磁耦合相融合，使电磁感应无线输电的低效率与电磁耦合输电的短距离相弥补。以现有的研究水平对无线输电进行了说明和推导公式的展示，以及笔者大胆建立的太空无线输电模式，希望为研究无线输电尽微薄之力。
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[4] 李 平，谐振式无线输电的可行性研究 [ J]， 广西师范学院学报: 自然科学版, 2009, 26( 1): 107 109.
[5] K re in Philip T. E lem en ts of Pow Electronics [M].New York: Oxford University Press, 2004.
[6]候清江，无线供电方案及应用 2009（2）
【关键词】可穿戴终端 无线充电 电场耦合 移动电源
1 引言
近两年，从头戴设备、手表到手环，可穿戴设备的兴起成为移动市场的新焦点。然而，由于硬件体积受限，可穿戴设备的电池容量仅为几十到几百毫安，续航时间短、需频繁充电成为用户体验中的痛点。在电池新技术短时间内难以迅速突破的困境下，具备更好体验的无线充电成为折中的解决方案。由于具备一定的技术门槛，目前大多数可穿戴设备还是使用传统的有线充电方式，仅Moto360、高通Toq手表、苹果Apple Watch等数款明星产品采用了无线充电。
无线充电从原理上可分为电磁感应式、磁共振式、电场耦合式和无线电波式4种，市面上支持无线充电的可穿戴设备大多基于技术较成熟的电磁感应式，但存在占用空间大、发热明显等问题[1]。由于电场耦合无线充电方式电极薄、电极发热极低[2]，符合可穿戴设备的诉求，且因起步晚而发展空间较大，因此本文将针对这种充电方式进行研究和改进。
现有电场耦合无线充电都是采用整块极板的方式，在终端与电源端充电接口未精确对准时充电效率会大幅降低，不符合用户自由放置充电的需求。针对这个问题，本文提出针对可穿戴设备的划小分割式电极板，有效降低交叉耦合产生的影响。
同时，可穿戴设备是为日常的持续使用而设计的，能与用户在任何时刻进行交互[3]，然而目前可穿戴设备充电时仍需将其从腕部拆下后进行充电，存在数据记录的盲区，本文也针对此问题提出了关于无线充电式移动电源的几种实现方案。
2 工作原理
电场耦合式无线充电最初由村田制作社提出，并被广泛引入新的设计。该公司的做法是使用准静电电场并通过电容传输能量，这种电容则是由属于物理上分开的器件的两个电极组成。将这两个器件彼此靠近就能形成一个电容阵列，并用来传输能量。在工作状态中电场耦合结构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小[4]。
本系统通过一组3.7V锂电池提供电能，经过升压电路、逆变电路、驱动电路，为发射极板提供高频交流电，并在终端接收后经整流滤波为终端充电，具体如图1所示。其中，电极板的改进以及其逻辑选择的方式是本研究的重点。
3 极板设计
在电场耦合式无线充电中，平板式耦合结构对发射端与接收端的相对位置要求比较严格。图2展示了平板式耦合机构经常出现的电极未对准的情况。发射电极1不仅和接收电极1存在耦合，和接收电极2也有部分耦合，同时发射电极2也和两接收电极均存在耦合，这种一个发射电极同时与两个接收电极耦合，或者一个接收电极同时与两个发射电极耦合的现象被称为交叉耦合。
在存在错位的情况下，严重的交叉耦合容易造成输出电压波动，不利于系统的稳压控制或者恒定功率输出。且对于平板式耦合机构，在偏差角度不一致的情况下，即使偏移距离一样，其交叉耦合程度的差异也可能非常大，交叉耦合的情况比较复杂[5]。
对于可穿戴设备来说，在进行无线充电时，这种位置和角度上的偏差在所难免，这会明显影响到充电效率，延长充电时间。为解决交叉耦合产生的影响，本文提出划小分割式电极，通过将发射电极进行细分切割以及每个电极分别接上控制开关，将交叉耦合程度降至最低。针对智能手表等圆盘式可穿戴设备，可采用如图3的结构，其中发射电极由7个正六边形组成，接收电极为2个正六边形的电极板。
在终端位置确定后，需通过开关控制电路进行最佳正负极板的选择。极板选择的逻辑流程如图4所示，通电后将计数器i与参考最大电压分别置于1与0，使计数器i从1开始计数，选择不同的发射极板，直至达到最佳耦合状态，在未接收到充电已满信息时，维持正常充电状态，直至充满。充电时若收到终端发射的电流异动信号，即表明可穿戴终端位置可能偏移或者设备已移走不再充电，那么重新对极板进行选择，并进行充电。若在n次选择后Imax仍为0，即表明设备已移走，此时关闭电源，充电停止。
通过上述改进的划小分割式极板设计和选择，当接收电极放在不同位置时能得到大致相同的耦合电容，并在耦合电容发生变化时，通过控制发射极板实现动态调谐[6]，以此控制输出功率，调节输出电压，保证充电效率。
4 实现电路
4.1 移动电源端发射电路
图5为电能发射基础电路图。升压采用TI的TLV61220电池解决方案，可实现输出电流取决于输入输出电压比。升压转换器建立在采用同步整流的磁滞控制器拓扑基础上，能够以最少的静态电流实现最高的效率。E类放大器电路与CLC高频谐振电路将直流电逆变为高频交流电，其中CLC谐振电路相比单级LC谐振系统具有更大的谐振容量，且具有比LC谐振更小的频率漂移[7-8]。
4.2 可穿戴终端接收电路
图6为电能接收端的基础电路图。在实际的充电过程中，发送极板与接收极板进行耦合，接收端得到交变电流，然后经过一个桥式整流电路。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能直接对电池充电，因此需要再连接一个RC滤波电路[9-10]，滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。在理想情况下，在滤波后只保留直流成分，而滤去所有的交流成分。
5 无线充电式移动电源方案
针对可穿戴设备充电时需从身上卸下的问题，本文对此提出了关于无线充电式移动电源的几种实现方案。如图7（a）所示，智能手表表带上设有接收极板，与表盘内无线充电接收模块及电池相连接，表带状电源实质为一腕带式移动电源，若按此大小设计，电池容量至少有300mAh。在腕带电源的中部朝里设有无线充电发射极板，当将其扣上手表表带时，腕带式移动电源的发射极板与表带上接收极板匹配，即可进行无线充电，避免了智能手表卸下充电的步骤，可满足智能手表全天候工作的需求。
图7（b）为智能手表表壳，底部设有充电极板及充电电路，由于电极板只有几百微米，加上充电电路后厚度较小，不影响舒适度，表盖部分内置有锂电池。图7（c）为手环式移动电源，手环外接一个圆盘，设有充电极板及充电电路，手腕圆环部分内置有锂电池。当智能手表需要充电时，只需要戴上该无线充电手环，并将圆盘极板置于表背，即可实现无线充电。
6 结束语
本文针对可穿戴设备目前在无线充电中存在的问题，通过对电场耦合式无线充电中电容极板进行改进，使设备在充电时有更大的空间自由度，不会由于可穿戴设备端与电源端未完全对准而导致充电效率低下甚至不充电，提升了用户体验。在电路实现上，本文给出电源端与可穿戴设备接收端的基础电路图作为参考。最后，3种针对可穿戴设备的移动电源方案可以为该类产品的设计提供思路。
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【关键词】 认知无线电技术 军事通信领域 应用价值
认知无线电是以软件无线电为基础的一种智能无线通信系统，认知无线电能够适应好周围的环境变化，动态识别没有被占用的合法频谱，在空闲频谱信号传输过程中不会对合理合法用户造成有害干扰。
一、认识无线电的基本概念和基本分类
1.1认知无线电的基本概念
随着无线通信技术的发展，软件无线电的概念被人们所熟知，并且将其逐步引入到军事通信领域中来。无线通信技术通过软件编程来实现对无线电台的各种操作功能，以软件无线电为媒介来实现无线调制解调算法[1]。也就是说，软件无线电的出现将改变目前基于硬件和面向用途的产品设计方法。在不断完善的军事通信领域过程中，应用认知无线电技术能够显著提高军事通信系统的信息化水平。另外一个角度来看，军事无线通信的需求在迅猛增长，军事通信系统对无线频谱资源的需求也在不断地增长中。针对上述问题，软件无线电和协同通信等技术不断推陈出新，导致无线频谱的利用率越来越低，从而降低了军事无线的通信性能。认知无线电的使用则有效解决了上述问题，认知无线电能够通过贫谱感知技术进入到授权频段，从而最大限度地提高无线频谱的利用效率，提高军队的作战能力。
1.2认知无线电的基本分类
1、频谱感知技术。主要指的是对电磁环境的感知能力，从而发现出频谱空洞，再从中熟悉好无线信号的基本特性，再进行合理利用。
2、频谱分配技术。频谱感知探测到的频谱空洞资源随着用户的需求而进行相应改变的，按照不规律的频谱资源进行整合能够实现频谱资源的合理分配与应用。
3、功率控制技术。军事通信系统中，频谱发射功率一旦不合适势必会影响到通信水平。在清楚认知传统功率控制方法基础上，再将信息论和对策论等互为结合，取长补短，不断 改善军事通信过程中的功率控制。
二、认知无线电的基本特点
现阶段来看，认知无线电技术的主要特点包括以下几个方面：（1）信息认知能力；（2）频谱管理能力。认知无线电技术是在无线电技术上的创新与进步，无线电的信息认知能力主要体现在能够有效感知或者捕获到所在工作环境中的相关信息，再从中挑选出最为合适的工作参数和频谱。频谱管理能力主要体现在对频谱的感知方面和判决方面，在很大程度上能够有效提高频谱的管理能力。除此之外，频谱感知能够通过监测可以用的频段，再发F其中的频谱空洞[2]。总而言之，认知无线电技术能够对无线电磁环境进行有效分析，再快速感应出相关数据信息，最终有利于提高军事通信系统的传输能力。一旦频谱管理不当或者分配方案不够灵活，势必会贻误战机，使得认知无线电技术无法快速且有效的完成频谱资源的合理分配，在通信过程中能够根据战场的频谱需要而进行相关调整，不仅仅能够提高军事通信系统对频谱的管理效率，而且还能够提高系统的抗干扰能力。
三、认知无线电在军事领域中的主要优势和面临的阻碍
认知无线电是一种能够感知军事无线环境，且通过对环境的理解与学习等实时调整内部配置，从而最终适应外部战场环境变化的一项技术[3]。
认知无线电目前面临的主要障碍。首先，认知无线电技术的终端研制制约其发展；其次，认知无线电软件技术的研究需要针对各种战场的实际环境进行相应的算法处理，最终应用到军用终端上，但是目前的技术尚未达到有关水平。随着通信技术的发展，高性能且软件化的射频终端将应用在军用认知无线电领域中。
主要优势。军用无线电电子对抗通过感知战场电磁频谱特性能够提取出干扰信号的特征，从而准确且快速地进行敌我识别。与此同时，进行电磁频谱侦察能够大大提高电子对抗效率，当敌方采用扫频式干扰模式时，能够采用更换频率集的对抗战略。一旦敌方变换姿势，采用跟踪式干扰方式时，我方可以采用变速跳频的对抗策略。在军用认知无线电抗干扰策略中主要应用的是抗敌方干扰策略，敌方干扰的常见方式有以下几种：其一，阻塞式；其二，扫描式；其三，瞄准式。认知无线电技术能够通过对频谱的感知，将敌方的干扰信号所在频段划分在门限以上，将没有干扰的信号频段划分在门限以下，基于此能够避开信号干扰。
四、结束语
综上所述，认知无线电技术具有接入非常灵活的特点，能够有效提高频谱的利用效率，在军事通信领域中发挥出很大的作用。
参 考 文 献
[1] 费利军，王亚鸽.认知无线电技术及在军事通信中的应用[J].现代电子技术，2014，15（17）：36-38，42.
1、含有无线充电功能的有iPhone 8、iPhone 8 Plus, iPhone X，iPhone XR，iPhone XS，iPhoneXS MAX。
2、手机无线充电的优点：1.利用无线磁电感应充电的设备可做到隐形，设备磨损率低，应用范围广，公共充电区域面积相对的减小，但减小的占地面积份额不会太大。
2.技术含量高，操作方便，可实施相对来说的远距离无线电能的转换，但大功率无线充电的传输距离只限制在5米以内，不会太远。3.操作方便。
（来源：文章屋网 ）
