摘要 无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题，磁耦合谐振式无线电能传输技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。该文对磁耦合谐振式无线电能传输系统工作原理、系统建模和耦合机构进行总结概括，详细阐述磁耦合谐振式无线电能传输关键技术的研究动态和研究成果。在现有成果的基础上对该技术需要深入研究和解决的问题以及未来的发展趋势进行了展望。
关键词：无线电能传输 磁耦合谐振 耦合机构 频率跟踪 调谐
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术无需传统的导线传导或者其他物理接触，便可以直接将电能传递到负载端，因此具有传统电能传输方式所无法比拟的便捷、安全、可靠、灵活的优势。根据距离发射机构的远近，可以分为近场和远场两个区域，其中，近场分布在场源的一个波长范围内；而远场指距发射机构一个波长范围之外的区域，远场无线电能传输又被称为“能量WIFI”。
无线电能传输形式有很多种，根据其能量传输形式、传输区域、传输特点进行分类，见表1。
磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技术传输距离可以从十几厘米到几米，传输功率可以从几十瓦到几千瓦，电能传输效率（Power Transfer Efficiency, PTE）在40%～90%，从各个方面都具有比较明显的优势，因此成为当下WPT领域最为热门的研究方向[1-4]。2007年麻省理工学院Marin Soljacic教授团队在中距离WPT方面取得了突破性进展，以40%的PTE点亮2m外的一盏60W灯泡，并首次提出了MCRWPT的概念，引领了WPT技术研究的新方向，并再次引起了世界范围内WPT研究热潮[5]。
表1 无线电能传输形式分类
Tab.1 Classification of wireless power transfer forms
能量传输形式特点传输形式特点应用场景 电磁能近场区分布在距发射机构一个波长范围之内，以电磁能量相互转换为主，能量几乎不向外发射，几乎无延迟电场耦合式利用电容的电场进行传输，对人体危害较大应用较少 磁场耦合式感应式传输距离小于传输线圈直径，有较高的效率和较大的功率交通运输、冶金矿山、水下作业等 谐振式传输距离在线圈直径的几倍，传输效率高，功率大消费电子、医疗电子、电动汽车等 远场区分布在距发射机构一个波长范围之外，电磁能主要以电磁波的形式存在并向外发射，辐射具有方向性且有延迟效应电磁辐射式微波定向性差，传输功率小空间太阳能电站、卫星供电 激光定向性好，传输功率大，技术不成熟 机械能通过机械波（振动）进行能量传输超声波方向性强，能量易于集中，可在各种媒质中传播且无电磁干扰应用较少
目前，国内外研究团队对MCRWPT技术的工作原理、建模方式、耦合结构、传输特性分析和应用现状等方面都有较深入的研究。本文将从系统工作原理、系统建模和耦合机构这几个方面重点分析MCRWPT技术研究现状，并在此基础上对MCRWPT关键技术进行详述。最后，对MCRWPT技术发展动态进行展望。
MCRWPT技术以能量谐振耦合原理通过高频电磁场实现能量传递，由于传输能量的大小不仅取决于磁场的大小，还与磁场的变化率、频率、磁感应强度、磁通密度等电磁参数有关，因此，谐振耦合系数是与谐振频率、品质因数、自感大小和互感系数相关的函数。在谐振匹配的状态下MCRWPT系统可不受空间位置和障碍物影响而实现中距离无线电能传输[6-9]。MCRWPT系统典型的工作原理如图1所示，其中us为高频逆变电源，C1为一次侧谐振电路补偿电容，C2为二次侧电路补偿电容，RL为二次侧所接负载，一次侧和二次侧通过磁耦合谐振进行能量无线传输。MCRWPT系统传输的电磁耦合机构设计决定系统的电磁耦合方式和能量传输形式，因此，电磁耦合机构选型设计是MCRWPT系统最为关键的部分之一。
图1 典型MCRWPT工作原理
Fig.1 Typical MCRWPT working principle diagram
电磁耦合机构是MCRWPT系统能量传输的关键部分，根据不同的应用场景和应用需求，MCRWPT系统的电磁耦合机构可以设计为不同的形状、结构和排列方式。
平面形线圈的磁感应强度由内到外依次减小，线圈中心磁感应强度最大。平面形线圈具有体积小、易于集成化、品质因数大和可植入性良好的优点，被广泛应用于手机、计算机、可植入式医疗设备、电动汽车等设备的无线充电[10]。图2所示为典型的两线圈结构平面盘式耦合线圈WPT系统[11]。
基于平面形线圈可拓展多种适合其他应用场景的平面盘式和平面螺旋式线圈耦合结构。2013年东南大学电气工程学院提出一种平面螺旋耦合机构优化设计方法，将耦合系数与衰减率和匝数设计相结合进行约束条件和设计目标优化，通过实验验证了这种优化设计可有效地提高WPT系统的传输效率，图3所示为经过匝数优化设计WPT系统[12]。2018年天津大学提出一种多耦合机构WPT系统，通过控制手段实现对二次侧多负载设备进行充电，并通过调整电容阵列实现谐振匹配以保证系统始终工作在较高传输效率下，图4所示为多线圈形式的平面螺旋线圈结构WPT系统[13]。2019年印度SRM科学技术研究所提出一种双绕线型阿基米德螺旋线圈的自谐振WPT方法，利用高温超导铜线圈在谐振频率为25kHz下实现PTE为49.8%，图5所示为双绕线平面螺旋线圈[14]。
图2 平面盘式耦合线圈WPT系统
Fig.2 WPT system with planar disc coupling coil
图3 匝数优化设计WPT系统
Fig.3 Optimization design of WPT system
图4 多线圈结构WPT系统
Fig.4 Multi-coil WPT system
图5 双绕线平面盘式线圈
Fig.5 Double wound planar coil
通过优化设计线圈结构、增加传输通道上的介质磁导率和改变线圈空间排列方式等方法能够进一步提高耦合机构的耦合系数，从而提升传输效率。2016年重庆大学提出一种U形排列方式的三线圈WPT系统，如图6所示，与双线圈对称分布的耦合结构相比，U形排列方式可以使传递效率提高10倍以上，在同样的传输功率和PTE情况下，线圈尺寸减小66%，通过实验验证U形排列方式不但提高了传输功率和PTE，而且保证了电能传输方向上的清洁[15]。2018年韩国延世大学设计的矩形平面盘式线圈通过串联小线圈的方法实现了耦合机构的高品质因数和相对均匀的磁场分布如图7所示。这种设计方案可以增强耦合机构的自由度并提高PTE，实验结果表明，在50mm和300mm的传输距离下可以实现PTE分别为96%和39%[16]。2018年韩国高等科学技术学院提出一种在线圈周边增加T形铁氧体来增强耦合机构之间的互感系数从而增强系统的磁场强度系统如图8所示。通过实验验证了当加入T形铁氧体后互感系数增加了30.4%，并成功地实现了以71%的PTE传输205W的电能[17]。2018年北京航空航天大学提出一种矩形平面多回路印制盘式线圈如图9所示。多回路技术应用多个不同大小的回路，可以根据耦合机构之间距离调整耦合系数，通过实验在100mm和250mm传输距离下实现的PTE分别为88.7%和46.2%[18]。
圆柱形螺旋线圈边缘磁场强度大于中心磁场强度，圆柱形螺旋线圈相较于平面形线圈的耦合系数和品质因数相对较低，但是通过改变排列方式、增加中继线圈以及在线圈中心增加导磁介质等方式都可以提高线圈耦合系数和品质因数以适应不同应用场景，丰富了WPT系统应用范围。
图10所示为2007年MIT首次实现MCRWPT的成功实例，用两个圆柱形螺旋线圈实现了在2m传输距离下以40%的PTE成功点亮了一盏60W灯泡[5]。2012年美国卡耐基梅隆大学提出一种适用于多负载场景的分布式多线圈WPT系统如图11所示。图中，心线圈为发射线圈，中间两线圈为中继线圈，远端两线圈为接收线圈，线圈中间分布4个小功率负载，电能传输过程中弱导电物体对系统电能传输影响较小，并通过实验实现了在6.2ft（1ft= 0.304 8m）距离下为6个负载传输15mW功率电 能[19]。2015年美国匹兹堡迪士尼研究中心通过在封闭金属空间内分布多个圆柱形螺旋线圈，封闭式谐振腔多负载WPT系统如图12所示。使整个封闭空间分布磁场，可以为空间内多个接收线圈同时提供电能，通过实验实现了在140ft3（1ft3=0.028 316 8m3）的封闭空间内的任何位置为一个直径为3in（1in= 0.025 4m）的接收线圈实现PTE超过50%的电能供应[20]。
图6 U形阵列线圈WPT系统
Fig.6 WPT system with U-array coil
图7 串接小线圈的矩形平面螺旋线圈
Fig.7 A rectangular planar spiral coil in series with small coils
图8 增加T形铁氧体线圈结构的WPT系统
Fig.8 WPT system with T-shaped ferrite coil structure is added
图9 矩形平面印制多回路螺旋线圈
Fig.9 Rectangular plane printed multi-loop spiral coil
图10 MIT无线电能传输实验装置
Fig.10 MIT experimental facility for radio energy transmission
图11 分布式多线圈WPT系统
Fig.11 Distributed multicoil WPT system
通过在传输通道上增加导磁介质可以降低漏磁，提升系统传输性能。2016年韩国高等科学技术研究院设计了一种六自由度多方向发射线圈，六自由度多线圈WPT系统如图13所示。通过将线圈绕制在导磁铁心上可以同时给不同方向多个接收线圈传输电能，由于发射线圈分布在不同位置和方向，因此在线圈周围形成一个球状磁场，可以为磁场范围内多个接收线圈形成耦合实现电能传输，并通过实验验证了以最大PTE为33.6%的情况下传输100W的电功率，为多负载电能无线传输提供一个可行方 案[21]。2019年河南师范大学提供一种新型铁氧体铁心的螺旋线圈WPT系统如图14所示，与空芯螺旋线圈相比，系统传输功率平均提高了80%，在PTE为35%时，传输距离可以从10mm提高到34mm[22]。2019年天津大学提出一种带长方体铁心的双线圈WPT系统如图15所示，由于磁性材料的限制，系统的最大工作频率应小于1MHz，若采用频率更高、损耗更低的铁氧体铁心，可以进一步提高系统的传输性能。该系统有效地提高了电能传输的功率、效率和距离，通过实验成功实现了将10.3W功率电能在20kHz工作频率下传输7m的距离[23]。
图12 封闭式谐振腔多负载WPT系统
Fig.12 Closed cavity multi-load WPT system
图13 六自由度多线圈WPT系统
Fig.13 Six degrees of freedom multicoil WPT system
图14 圆柱形铁氧体铁心螺旋线圈WPT系统
Fig.14 Spiral coil WPT system with cylindrical ferrite core
图15 带长方体铁心的双线圈WPT系统
Fig.15 Double coil WPT system with rectangular core
两线圈结构MCRWPT系统等效电路如图16所示，目前MCRWPT系统理论分析模型主要有等效电路模型、耦合模理论、二端口网络和基于振动理论模型。由这些理论分析能够得到系统传输特性，以及传输功率和传输效率的影响因素，通过对各参数的优化设计可以得到电能的最大传输功率和最优传输效率。
图16 等效电路模型
Fig.16 Equivalent circuit model
1.3.1 等效电路模型
等效电路模型是以互感电路理论为基础，通过对系统各电路元器件进行等效建模，运用电路基础理论对所建模型进行求解，从而得到系统传输功率和传输效率相关的元器件参数、工作频率及其他参数函数关系式，通过对各参数的具体分析和精确优化达到最优传输效率和最大传输功率的目的。等效电路模型是目前MCRWPT理论分析模型中应用最多的一种方法。图16所示的两线圈结构MCRWPT系统等效电路，将系统的谐振线圈分别通过电容、电感和电阻来等效，一次侧和二次侧线圈电感、互感和谐振电容分别表示为L1、L2、M、C1、C2，电源激励和内阻分别用Us、Rs表示，一次、二次侧等效电阻用R1、R2表示[24-25]。
利用基尔霍夫定律分析电路列出回路电流、电压和各元件参数之间的关系为
（1）求解式（1）可得
（2）
可以得到系统接收功率和传输效率表达式分别为
（3）
（4）
由式（3）、式（4）可知，系统的传输效率和传输功率与等效电阻、谐振电容、互感系数及工作频率有关。当系统工作在谐振工作点时，系统的电抗为零，系统获得最优传输效率和最大传输功率。因此，若要系统取得最优传输效率和最大传输功率，必须选定合适的工作频率、谐振电容参数、互感系数和品质因数[22, 26-32]。
1.3.2 耦合模理论
耦合模理论是研究两个及以上电磁波之间耦合机理的理论，其基本原理为：将一个耦合度较为复杂的系统分解为多个独立的微分方程，通过独立单元之间的耦合系数及边界条件求解微分方程组的解，从而得到系统关键参数和重点指标[24-25]。具体到MCRWPT系统，通过耦合模理论建模分析，可以得到系统电能高效传输的关键因素，以及各参数对传输效率和传输功率影响的函数关系式。
将图16的一次、二次线圈看作能量耦合系统，考虑线圈自身损耗、电源损耗和负载消耗能量，列出耦合模运动方程为
（5）式中，
为线圈m所包含的谐振能量，其大小为
；
为线圈在孤立情况下的谐振角频率；
为损耗衰减率，线圈中能量是随exp(-2t/t)的规律衰减，
，则
，R为线圈等效电阻；
为线圈m和n之间的耦合系数；
为驱动条件。假设一次侧和二次侧参数相同，可以将系统表达式（5）展开为
（6）
式中，
、
、
分别为线圈1、线圈2和负载的损耗衰减率；s为正弦激励大小，s=
。系统的传输效率和负载功率分别表示为
（7）
（8）
由式（7）、式（8）可知，系统的耦合系数k越大，系统传输效率越高；而电感越大，电阻越小，系统传输电能的能力就越强，这就对系统谐振线圈品质因数要求越高[20, 24, 33-34]。
1.3.3 基于振动理论模型
典型的两线圈MCRWPT系统可以看作是一个两自由度的振动系统，定义电感矩阵L、电容矩阵C、电阻矩阵R分别为
（9）则式（1）可表示为
（10）
其中
（11）基于振动理论由式（10）即可看出两线圈MCRWPT系统即为两自由度振动系统。由振动理论可知，存在奇异矩阵
，使得
（12）
式中，
，
为矩阵
的第j列；
；
。
由式（10）可得
（13）式中，
。
通过求解式（11）可以得到系统电容电压响应U为
（14）由此可以得到系统各回路电流响应为
（15）
得到系统的传输功率和传输效率分别为
（16）以上分析可以通过求解系统的固有频率确定系统的共振频率点，即当系统各电路固有频率一致且当系统的耦合系数较小时，系统才能处于谐振状态，从而达到电能传输的最大功率和最优效率[35]。
1.3.4 二端口网络模型
二端口网络建模方法和耦合模理论相似，都是不能对系统具体参数进行设计与获取，而是对系统的能量传输进行较为准确的分析。二端口网络理论是高频电路分析中最常用的方法，在分析过程中将二端口网络内部电路具体内容忽略，主要考虑端口两侧电压、电流之间的相互关系来简化电路分析过程。图17所示为二端口网络模型示意图，图中点画线框所包围的电路即为二端口网络内部电路，在分析过程中可将其忽略而只考虑端口两侧输入输出电流I1、I2和端口电压U1、U2，二端口网络电压和电流之间的相互关系可以通过一组参数矩阵来表示，而此参数矩阵由网络内部结构和元件决定。利用二端口网络的端口阻抗、S参数矩阵和功率波理论可以分析功率的入射和反射情况，以方便分析WPT系统负载功率和传输效率等，进而能够有效地评价WPT系统传输性能[36-38]。
图17 二端口网络模型
Fig.17 Two-port network model
由图17所示的串-串型（Series-Series, S-S）拓扑结构的二端口网络模型，根据电路原理补偿电容的二端口网络A、B、C、D参数表示为
（17）式中，M为一次侧与二次侧之间的互感。
假设系统参考阻抗为Z0，则系统S参数矩阵可以通过A、B、C、D参数得到，即
（18）利用S参数表示系统的传输效率和负载功率分别为
（19）
其中
式中，Sin、SL和Ss分别为输入端、负载端和源端反射系数[39]。
综上所述，在以上四种建模方法中，等效电路模型是一种原理简单、方便实用的建模分析方法，不仅可以根据模型进行具体的系统设计，还可以进行实际的参数设计和系统的优化计算，是WPT系统建模中最常用的一种建模分析方法，但缺点是计算过程较为复杂。耦合模理论是从能量传递的角度进行分析建模，能够准确地分析系统的能量传递和损耗，但是不能直观地对系统的具体参数进行设计和优化。基于振动理论进行建模方便理解系统谐振的物理原理，能够快速准确地获得系统的峰值功率和最大效率点的电源频率。二端口网络建模方法只从系统的输入、输出特性进行分析，计算过程更加简单明了，但是难以对系统具体参数进行设计优化。
MCRWPT系统是一个多参数耦合的复杂电磁系统，各参数的变化都会导致系统失谐，进而影响系统的传输效率和传输功率，因此对MCRWPT系统的关键控制技术研究是保证系统能够以最优传输效率传递较高功率的前提。下面将从频率跟踪控制技术、自动调谐技术、恒功率输出技术对MCRWPT系统能量高效传输、系统优化设计和智能控制进行分析概述。
高品质因数谐振系统是提高MCRWPT系统传输效率和传输功率的关键，但是高品质因数谐振电路易受系统参数变化造成系统失谐。自动调谐技术能够根据系统参数变化引起的失谐进行参数重新匹配，以达到自动调谐使系统始终工作在谐振状态，保证系统的高效、大功率电能传输。
文献[40]提出一种基于相控电容的谐振电路调谐方法，通过设计相控电容调谐电路，计算电容相位与等效电容之间的对应关系，等效形成可以连续变化的可变电容进行调谐。文献[41]设计了一种相控电感电路，通过触发延迟角的调节可以实现动态实时调谐控制。文献[42]提出一种利用小型步进电机分别控制安装在发射端和接收端的可调电感进行调谐控制的方法。通过设计调谐电路和优化算法进行谐振参数匹配，并搭建实验平台验证设计的可行性。文献[43]采用电容阵列动态调节电路对初级谐振电容进行动态调节，确保系统参数变化时仍能工作在谐振状态。文献[44]提出一种基于谐波的移相闭环控制策略，设计了一种采用电流平均值进行谐波电流检测的方法，利用输出电压中的谐波含量参与谐振，提高了系统的传输效率。文献[45]提出一种相控电感的无极调谐方法，该方法可实时改变谐振电感的等效值，使谐振网络的谐振频率等于系统的工作频率，保证系统始终工作在谐振状态。
自动调谐技术的关键在于系统参数发生变化时能够通过自动调整相关参数保证系统始终工作在谐振状态下。通过改变电感和电容大小的方法使系统达到谐振状态是调谐的重要手段，但是电感、电容的调节是一个被动的过程，通过增加一些控制手段实现主动控制才能保证调谐的连续性。自动调谐技术能够有效地提升MCRWPT系统的传输效率和最大传输功率。自动调谐技术是促进MCRWPT技术推广应用的关键技术，针对不同的应用场景使用相应的调谐技术能够促进MCRWPT系统在不同领域和各种场景下高效稳定的运行。
MCRWPT系统依靠高频工作实现电能无线传输，一般工作频率在kHz～MHz范围内，系统的传输效率和传输功率对工作频率的变化非常敏感。因此，通过频率跟踪和控制技术能够实时监测系统的工作频率变化，从而保证系统发射端输出频率，接收端接收频率和谐振频率始终保持一致，从而有效地提高系统的工作效率和传输功率，频率跟踪技术其实也是实现自动调谐的一个手段。
MCRWPT系统在不同耦合条件下会出现频率分裂现象，导致系统传输功率和传输效率的下降。系统在谐振状态下电压和电流处于同相位，通过对发射端或接收端电流频率采样、检测实现系统频率跟踪。对发射端电流频率跟踪可以直接检测发射端电流信号相位并将其与电压信号相位对比，若相位差为零则表示发射端工作在谐振状态；若相位差不为零则将反映相位差的脉冲信号反馈至驱动电路使其控制逆变器调节输出电源频率直至发射端电压电流同相，控制过程结束，系统重新恢复谐振状态。由于接收端电流信号与发射端电压信号存在90°相位差，在跟踪接收端电流频率信号时需要首先将接收端电流移相才能进行频率跟踪[11, 46-49]。因此，为了系统电路设计更加简单，大多数研究者都选择直接跟踪发射端电流频率，但是接收端电流频率的改变不受频率分裂现象影响，跟踪接收端电流频率信号是可以保证系统跟踪的频率始终为固有谐振频率而不受频率分裂现象的干扰，从而有效地保证频率跟踪控制系统始终在最大传输功率和最优传输效率的工作状态[50]。
文献[51]提出一种频率跟踪控制方法可以使发射电源频率自动同步谐振电路固有频率，以此避免发射线圈电感变化引起的失谐导致系统传输效率下降。文献[52]提出了一种基于闭环控制的自适应频率跟踪控制方法，提出了一种改进的蚁群算法（Improved Ant Colony Algorithm, IACA）来实时跟踪最大功率点，并对最优频率进行了跟踪。文献[53]通过无线通信的方式直接将传输功率和传输效率信号应用于频率跟踪算法，同时还考虑功率链路和功率放大器效率，从而为跟踪算法建立合理的准则，建立的自动频率跟踪系统在0～0.5m范围内成功传出70W左右的电功率，并将传输效率保持在70%以上。
频率跟踪控制技术能够解决MCRWPT系统工作过程中环境变化和外部干扰导致系统参数变化引起的失谐问题，通过频率跟踪控制技术可以保证系统工作频率始终与系统固有谐振频率相匹配，使系统始终工作在最大功率和最优效率状态下。
在WPT应用场景中大多要求负载功率稳定，然而MCRWPT由于工作环境和负载变化都会引起输出功率动态变化。恒功率输出技术能够保证MCRWPT系统工作状态变化时保证恒功率输出，增强系统供电稳定性和安全性。
目前常用的输出控制策略是通过不同的控制方法实现恒压、恒流输出的目标。文献[54]通过分析系统恒流、恒压工作的边界条件，在不增加控制器的情况下，通过恒频驱动保证系统工作在恒压、恒流状态。减少控制电路的设计能够降低系统的复杂性，保证系统的传输效率，但是为达到恒压输出的效果需要设计相应的边界条件，对负载的取值范围也有要求，限制了MCRWPT应用范围。文献[55]提出采用移相直通控制策略调节系统功率输出，通过建立系统等效数学模型与移相角的函数关系，验证了通过控制逆变环节开关管的直通角可以控制一次电流幅值从而达到控制输出功率的效果。文献[56]提出一种基于双拾取耦合机构的恒功率输出动态无线电能传输系统，通过采用相互重叠的双拾取线圈，在两线圈之间引入互感，并推导出每个拾取线圈输出功率随等效负载电阻的变化规律，通过控制每个拾取线圈的实际等效负载电阻，实现系统输出功率的恒定。文献[57]提出一种优化方法，可以建立输入电流与传输效率、电压传递函数和导通角之间的关系，从而达到更好的传递效率和输出电压的可控性。文献[58]提出了一种在调节输出电压的同时使系统效率最大化的跟踪最大效率点控制方案，该方案将工作频率固定在接收端谐振频率，可以动态跟踪恒压输出轨迹上的最大效率点。文献[59]提出了一种用于无线功率传输的新型半桥式有源整流（Semi- Bridge Active Rectifier, S-BAR）相移控制方法，该控制策略可以在一次、二次侧没有通信的情况下通过对一次侧开关管相移调谐来调节系统的输出电压。
实现恒功率输出的主要途径是控制一次电流、电压的相位和幅值，建立负载侧电阻与一次侧输入功率的函数关系是确定恒功率输出策略的关键。因此，以相互函数关系为依托，确立相应的控制策略是实现MCRWPT系统恒功率输出的关键技术手段。
（1）便携式设备无线充电。手机、智能手表等便携式电子设备已经成为日常生活的必需品，而传统的有线充电会造成线缆过多、缠绕杂乱等弊端。无线充电技术能够实现即放即充、方便快捷，现在便携电子产品行业普遍支持的Qi标准无线充电器也能实现不同品牌设备都能适配，不用担心不兼容的问题。2019年各大手机品牌发布的旗舰手机都支持无线充电的功能，华为发布的旗舰手机甚至能够支持双向无线充电。由此可见，随着WPT技术的进一步发展，无线充电技术在便携式电子设备应用中会有广阔的市场。
（2）医疗电子无线充电。植入式医疗设备可以替代人体已经丧失功能的器官继续正常工作，也可以实时监测人体各项身体指标是否正常。目前，多数植入设备采用锂电池供电，电池寿命有限，给患者更换过程中带来的手术痛苦加剧了患者的身体和经济负担。2018年北德克萨斯大学研制的一种能够监控神经回路功能障碍的植入设备只有硬币大小的WPT模块，能够实现5mm距离的电能传输[60]。随着WPT技术的不断发展，其在植入式医疗设备的应用能够得到更广泛的推广。
（3）水下设备无线供电。传统的通过电缆向水下设备进行湿插拔式充电的操作复杂、成本昂贵、易产生漏电事故，限制了水下设备的续航和工作能力。MCRWPT技术系统在近、中距离时，都能实现电能的大功率高效传输，特别适合海洋环境水下航行器等机电设备的电能补给。因此可以预计，MCRWPT技术将会被广泛应用于海洋机电设备电能补给领域。
（4）电动汽车无线充电。随着新能源电动汽车普及程度越来越高，电动汽车充电的便利性、安全性和智能性也成为人们日益关注的焦点。2015年宝马i8安全车采用功率达到7.2kW的Qualcomm Halo无线充电系统在1h内将其容量为7.1kW·h的电池充满电。一旦电动汽车无线充电技术得到大规模的普及和应用，不但能够实现能源的互联，还能对无人驾驶电动车的商业化推广和应用带来极大的促进作用。
（5）工程设备无线供电。针对一些特殊的工业生产场景，由于工作环境限制，特别是一些高速旋转设备上的电能供应，需要保证既不影响工作进度又能实现实时电能传输，无线电能传输能够很好地应用于此类应用场景。2001年北京科技大学研制的轧机转矩遥测系统使用感应式无线供电首次实现了在线式实时监测轧机转矩参数，并打破了国外的垄断，经过十几年的不断发展进步，轧机转矩遥测系统使用MCRWPT技术进行无线供电并实现了转矩遥测系统在多家钢厂长期稳定的运行。无线供电技术因其独有的便捷性、安全性和灵活性，能够辅助更多的工程设备在复杂应用场景发挥其特殊用途。
利用MCRWPT进行无线电能传输可以有效地解决传统供电方式的多种缺陷，用电设备摆脱电缆束缚成为了可能，为人们的生活带来了极大的便利。MCRWPT技术的进一步发展将使人类在电能应用方面有更大的灵活性和多样性。
MCRWPT系统在传输效率和最大传输功率的优化和提升方面已经有了颇多的研究成果，为了能够为不同工作场景提供较为稳定的应用，需要在系统智能化方面继续深入研究。在未来的应用中为适应多种工作场景，需要智能化控制以实现具有频率自动跟踪技术、负载识别技术、自动负载匹配以及自动控制调谐来适应外部工作环境变化引起的工作状态改变，这些智能化技术能使MCRWPT技术更好地应用于不同的工作场景，为更多的用电设备提供更好的应用体验。
目前WPT技术应用较多的领域是手机、电动汽车、家用电器、医疗电子等设备的无线充电和特殊环境工业设备无线供电等。特别是在家用电器和手机无线充电方面的应用具有很大的潜力和市场前景，这就要求无线充电设备对不同的负载和设备能够有较好的兼容性，能够匹配应用于不同设备的无线供电，由此才能使无线供电系统更好的推广应用。
WPT系统在其有效的工作范围内会产生较强的高频磁场，系统工作范围内的电磁环境安全是一项需要引起重视的研究课题。高频电磁辐射对人体的危害，以及与周围其他设备之间相互影响的问题，还需进一步研究。因此，研究改善电磁环境的方法和措施，建立系统安全性能的综合评估方法，一方面可以确保系统能够满足相关标准的要求；另一方面也决定着系统能否正常工作，为系统大规模推广应用提供了保障。至今为止，WPT系统的电磁辐射影响范围及其危害性未能在业界达成统一的共识，需要进行大量的实验和研究进行确认，值得广大研究人员进行深入的研究。
目前市场上推广应用较多的无线电能传输技术是电子设备和车辆的无线充电，国际上较为主流的无线充电标准主要有五个：Qi标准、PMA（power matters alliance）标准、A4WP（alliance for wireless power）标准[61-62]、iNPOFi技术、Wi-Po技术。其中，Qi标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟（Wireless Power Consortium, WPC）制订的，是手机等小功率电子设备目前国际上应用最为广泛的行业标准。目前Qi标准已经发布最新的Qi标准v1.2.4版本，将会进一步规范无线充电市场并促使产业升级。针对轻型电动汽车无线充电特定的SAE标准[63]，目前已被多家欧美汽车企业所接受；国内汽车领域无线充电标准预计将于2020年发布。为了实现无线电能应用的产业化和大规模应用推广，更多领域的无线电能应用行业标准和规范仍需要进一步的研究和制订。
MCRWPT技术是目前近场无线电能传输技术中较为热门的传输方式之一，本文从系统的工作原理、耦合机构形式、建模方法等方面对MCRWPT技术的研究现状进行概述，并对MCRWPT系统应用的关键技术取得的一些研究成果进行分析概括，包括在频率跟踪技术、自动调谐技术以及恒功率输出技术等方面取得的成就。最后根据现有的研究成果和发展动态总结了MCRWPT技术未来的发展趋势和一些待解决的难题，可以预计随着MCRWPT技术的进一步发展，MCRWPT技术必将在各领域取得广泛的应用。
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Research Tends of Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer Characteristics
Abstract Wireless power transfer technology has become a hot topic of global research today because of its unique transfer advantages. Magnetic coupling resonant wireless power transfer technology is one of the most popular wireless power transfer methods due to its advantages in near-field transmission. In this paper, the working principle, system modeling and coupling mechanism of the magnetic coupling resonant wireless power transfer system are summarized. The research trends and achievements of key technologies of magnetic coupling resonant wireless power transfer are described in detail. In the end, on the basis of the existing achievements, the problems that need to be further studied and solved and the future development trends are prospected.
keywords：Wireless power transfer, magnetic coupling resonant, coupling mechanism, frequency tracking, tune
中图分类号：TM724
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191102
“十二五”国家科技支撑计划、“精密带钢产品质量优化与关键装备研发”项目（2015BAF30B00）和中央高校基本科研业务费项目（FRF-AT-19-001）资助。
收稿日期 2019-08-28
改稿日期 2019-10-17
贾金亮 男，1988年生，博士研究生，研究方向为轧机耦合振动研究及抑振控制。E-mail: lvino@foxmail.com
闫晓强 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为轧机耦合振动。E-mail: yanxq@ustb.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）