图1 智慧交互式无线电能传输系统
Fig.1 Intelligent & interactive wireless power transfer (I²WPT) system
摘要 随着无线电能传输（WPT）技术的发展与成熟，在人工智能、物联网等技术的推动下，其应用场景已从单一的能量供给，向满足智能无人系统、车网互动等新兴需求的智慧交互方向转变。该转变对能源系统提出了超越传统能量供给的智慧化与网络化要求。然而，以供电为中心的传统WPT系统（WPT 1.0），因其感知盲目、交互缺失等固有局限，已难以支撑新一代智慧能源协同的需求。为此，该文提出并系统地定义了“智慧交互式无线电能传输（I2WPT）”的核心概念框架，以探索WPT技术范式从以供电为中心向以交互为核心的演进路径。I2WPT将传统的单向能量供给系统，升级为具备“感知-通信-计算-控制”全链路闭环能力的新一代信息物理系统。该文将从概念内涵与价值、系统构建的关键挑战、分步实现的技术路径以及广阔应用前景四个维度，对I2WPT进行系统性阐述。
关键词：智慧交互式无线电能传输（I2-WPT） 信息物理系统 能量信息融合 感知与控制
当前全球正经历系统性变革，以“碳达峰、碳中和”为目标的能源革命与以“万物互联”为核心的数字革命相互融合，正重构未来技术体系与产业生态。该变革要求能源体系向着更灵活、高效且与信息流深度耦合的方向演进，新型供能模式与技术路径亟待探索[1]。在此趋势下，具备非接触、高灵活性与易于部署等特性的无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术应运而生，并因其在未来动态、智能化用能场景中的潜力而备受关注[2]。
WPT技术通过电磁场的近场耦合或远场辐射效应实现无接触能量传递，是摆脱传统线缆物理连接限制的核心方案。经过多年发展与技术积累，以高能效单向能量传输为核心的初始阶段，即WPT 1.0，已实现标准化。其工程化应用主要基于近场耦合技术，因其在中短距离传输效率、系统可控性与安全性方面具备成熟的解决方案，形成了由发射单元、接收单元和补偿网络构成的典型架构[3]。依托多项国际标准，该技术已在消费电子领域实现规模化应用，并在电动汽车静态充电场景中完成了大功率工程化验证[4-5]，为其后续的标准化与规模化应用奠定了坚实的基础。
然而，随着应用场景向智慧化、网络化方向演进，聚焦于物理层能量传输的该阶段架构，其系统性瓶颈逐渐显现。一方面，新型电力系统对可再生能源的消纳[6]与海量电动汽车[7]的大规模接入，要求供能接口必须具备灵活、双向的互动调控能力，以实现绿电消纳与负荷平抑[8-10]。该阶段技术因可靠信息通道的缺失，导致其交互功能存在缺陷[11-12]。另一方面，数字经济下的工业机器人、无人机等智能终端[13-14]，要求供能过程需根据任务状态与环境变化进行精准、动态地适配。而该阶段系统由于普遍处于被动响应状态，其感知能力缺失[15-16]使其无法主动识别上述实时变化，从而难以满足新兴场景对高可靠性与高适应性的要求[17-19]。综上所述，WPT 1.0不能满足未来智能化时代的应用需求，也制约了当下该技术的进一步推广与应用。
为突破现阶段WPT 1.0的系统性架构限制，本文提出“智慧交互式无线电能传输（Intelligent & Interactive Wireless Power Transfer, I2WPT）”概念。 I²WPT并非对前者技术路线的线性延伸，而是系统性架构的演进，其核心是将以单向能量传输为主的供电系统，演进为融合感知、通信、计算与控制能力于一体的智慧化信息物理系统。此智慧化演进的本质在于，将系统从单向、被动的能量流拓展为双向的能量与信息流，并具备实时响应、主动优化、自主决策与协同控制能力的智慧闭环系统。换言之，该智慧化演进要求WPT系统不仅是被动供能终端，而是具备认知与响应能力的“智慧体”。
本文中“智慧”一词代表着更深层次的认知和决策能力，以表达I2WPT 系统在复杂环境中的自主决策与优化能力。“智慧交互”不仅指系统的基本感知与反馈能力，还特别强调系统在面对复杂环境时，能够通过自主决策与优化并不断提升性能，达到类似生物体的智慧特征。本文选择“智慧”而非“智能”，是希望突出I2WPT系统在信息流与能量流的双向交互中，所展现出的高度自适应性与自主决策能力。
围绕I2WPT的系统架构，本文将构建相对完整的研究框架，重点讨论以下四个方面：①从概念层面厘清其提出的背景与技术价值；②分析构建过程中面临的关键科学与工程挑战；③根据技术储备提出分阶段实现的技术路径；④探讨其在未来交通、低空经济、智慧医疗等复杂应用环境中的潜力。本文旨在为WPT技术范式向以交互为核心演进提供一种理论视角与实现蓝图。
WPT 1.0阶段的技术体系局限于单向能量传输，常见的应用场景包括消费电子设备供能和电动汽车静态充电。该阶段系统虽然可实现稳定的能量传输，但缺乏感知与自适应调节能力，难以适应动态环境和多设备协同的需求。与之相比，I2WPT提出“智慧交互”架构，融合感知、通信、计算与控制等技术手段，赋予系统自主决策与自适应优化的能力，使其在复杂应用场景中仍能保持高效运行。通过双向能量流与信息流的交互，I2WPT不仅突破了WPT 1.0在动态环境中的技术瓶颈，并使系统能够根据实时变化灵活调整，从而支持更加复杂的任务需求，如无人机集群充电管理、自动驾驶电动汽车的动静态无线充放电等。
I2WPT被定义为一种智慧化信息物理系统，面向动态化、复杂化、网络化应用场景，以能量流与信息流的并行协同与深度交互为核心特征，如图1所示。其核心特征是“感知-通信-计算-控制”完整全链路闭环。其名称中“I2”并非两种基础核心：“智慧”（Intelligent）与“交互”（Interactive）的简单加和（1+1），而是通过两者之间的深度融合与相互赋能，实现系统能力的指数级提升。其中，“智慧”体现为系统对外部输入的感知，并基于历史数据进行用户行为分析，以及预测与自主决策的能力；“交互”体现为系统与设备、环境、云端进行双向信息与能量交换的能力。
图1 智慧交互式无线电能传输系统
Fig.1 Intelligent & interactive wireless power transfer (I²WPT) system
“交互”为“智慧”提供决策所需的数据基础与执行指令的通道，同时“智慧”则赋予“交互”更高维度的目标与策略，两者并非独立运行，而是紧密耦合并形成多级闭环机制。该机制下，I2WPT系统从传统意义上的能量供给装置，演进为具备主动感知并适应环境、理解任务目标并优化决策的主动性“智慧体”。
与WPT 1.0阶段的系统架构相比，I2WPT的本质进化在于，其系统架构从单一的物理能量系统，转变为融合信息流与物理实体的智慧系统。在该新架构下，能量的传输不再是被动或预设的，而是由实时感知信息驱动的主动规划与动态调度过程。相应地，信息通道的地位也从简单的功率协商辅助链路，转变为驱动系统实现感知、决策与控制的核心要素，与能量通道形成紧密的耦合关系。
I2WPT系统的智慧化能力具有以下核心特征：
1）自适应功率调节：I2WPT系统通过集成传感器与状态感知模块实时采集用电设备的荷电状态、工作温度、位置变化等关键指标，并据此动态调整输出功率与工作频率等关键参数。在保障充电安全的同时优化系统效率，并有效延长设备电池寿命。
2）多设备协同管理：面向自动化仓储、无人机集群等典型多设备无人值守场景，I2WPT系统具备识别异构设备标签，并解析设备的运行状态与赋权任务优先级。通过并行供能、轮转调度或分时分配等运行策略，系统动态分配功率资源与按需分发能量，实现稳定高效的多设备无线电能传输，提升系统自治水平和作业效率。
3）能量及信息双向交互：I2WPT系统通过能量与信息协同传输机制，实现能量流与信息流深度耦合的智慧交互体系。在此范式下，能量与信息不再是主从关系，而是对等的协同伙伴：双向的能量通道支持灵活的充放电管理，而双向的信息通道则负责实时交换感知数据与控制指令。通过能量与信息的“同频共振”，建立从数据输入到能量输出的全流程闭环，使系统实现基于实时状态的自主决策与精准执行。
4）数据驱动的预测优化：I2WPT系统通过整合历史充电记录、设备运行日志等多源异构数据，并借助人工智能算法构建基于用户行为的功率需求预测模型。通过识别用户行为模式预测功率需求趋势，实现从被动响应到主动规划的转变，提前规划调度，规避高负载冲突。
5）全周期状态监控与安全保障：I2WPT系统通过多重监控机制实时感知温升异常、位置偏移、异物介入等异常状态，并引入金属异物检测、活体检测等运行策略，融合先进算法，实现全周期风险防控、故障预警与策略修正，保障系统运行的鲁棒性与安全性。
I2WPT作为一种新型的无线电能传输系统架构，涉及多个复杂技术领域，其实现依赖跨学科的技术集成，特别是在感知能力、数据处理与决策控制等方面，面临诸多挑战。以下是I2WPT系统的关键技术：
1）多传感器融合与系统感知能力：为提升I2WPT系统的感知能力，需要对多类型传感器数据进行处理。为确保数据的高精度与可靠性，需要解决不同类型传感器的输出格式差异问题，确保信息的有效融合。此外，如何避免冗余信息、提升数据准确性以及确保系统能够在复杂环境中稳定运行，是I2WPT系统的关键挑战之一。可引入冗余设计与自适应算法，通过提高传感器网络的鲁棒性和实时性，进一步优化系统的感知能力和运行稳定性。
2）高效的通信与计算架构：I2WPT系统需要满足低延迟、高带宽的通信要求，以实现各传输节点之间快速的数据传输和能量流动。如何在资源有限的边缘节点上实现高效的计算与数据处理，是I2WPT系统的关键挑战之一。为应对多设备协同工作时海量数据处理压力，可通过优化通信链路和采用边缘计算以满足高效的实时数据处理需求。同时通过将复杂的计算任务分配给云端，在边缘节点上进行基础数据处理和初步分析，可有效减轻单一节点的负担，提升整个系统的响应速度和计算能力。
3）自主决策与自适应控制：I2WPT系统需具备自主决策与自适应控制能力。通过集成先进的控制算法，使得系统能够根据实时环境与任务需求进行动态调整。系统根据传感器提供的实时数据，做出关于功率调节、频率选择、负载适配等方面的自主决策。该自主决策过程要求系统不仅要实时评估不同设备的需求，还要协调多设备之间的能量分配与调度，以确保各个设备在合适的时机获得适配的能量。如何设计高效的多节点协同控制算法，避免系统的计算瓶颈，是I2WPT系统的关键挑战之一。
4）系统的鲁棒性与抗干扰能力：当I2WPT系统面临例如电磁干扰、设备偏移、负载波动等干扰源时，如何确保系统输出特性稳定，是I2WPT系统的关键挑战之一。通过引入自适应补偿技术和多传感器融合技术，I2WPT具备在环境变化时及时调整控制策略的能力，避免系统性能的显著下降。此外，引入多通道反馈机制，使系统在面对干扰时具备自我修正能力，是提升系统抗干扰能力的重要途径。
5）硬件架构与成本控制：随着系统复杂度的提升，I2WPT的硬件组成涉及多种传感器、计算模块和通信模块等。如何在保证系统性能的前提下，降低硬件的成本和部署复杂性，是I2WPT系统的关键挑战之一。通过模块化设计与标准化接口，可有效解决上述问题。通过开发可复用、可维护的模块化系统组件，可显著降低硬件成本，减少系统部署和维护的难度。同时，采用低功耗、高效率的硬件设计，可以进一步控制系统的部署成本。
I2WPT的工程化落地，其核心挑战在于如何在保障技术先进性的同时，实现系统在真实复杂环境中的可靠性、经济性与安全性，如图2所示。其不仅要求在物理层攻克动态环境下的抗干扰与鲁棒性技术瓶颈，还需要在系统层解决由新增的感知、通信、计算模块所带来的成本控制、数据管理和信息安全等一系列新问题。更进一步，技术的最终成功还有赖于可持续的商业模式探索、开放统一的标准建立以及多学科融合的产业生态培育。
图2 I2WPT的关键问题
Fig.2 Key issues of I2WPT
I2WPT技术的推广应用面临多个非技术因素的影响。首先，政策导向和政府支持在推动该技术商业化方面具有重要作用，尤其是在能源政策和智能制造等领域的支持。其次，用户的接受度和市场需求直接影响I2WPT的市场渗透率。为推动该技术的普及，须加大教育与推广力度，特别是在家庭和商业领域的应用。与此同时，市场竞争和商业模式也是决定该技术能否大规模应用的关键因素。最后，相关标准和设备间的互操作性问题，亟须政府和行业共同努力推动标准化进程，确保技术的无缝连接与广泛应用。
在电动汽车动态充电、无人机自主补能等复杂且动态变化的应用场景中，I2WPT系统须具备强抗干扰能力及鲁棒性。当前WPT 1.0阶段的系统由于缺乏有效的自适应反馈能力与多通道反馈机制，当面临设备偏移、负载突变、异物介入、外部电磁干扰等扰动因素时，系统的传输效率和功率稳定性易出现大幅度波动甚至中断，并制约了其在对可靠性要求较高的作业任务中的应用。因此，需重点研究基于人工智能的鲁棒控制理论与自适应补偿拓扑，并引入基于多传感器融合的实时监控机制，以实现对系统异常状态的早期识别和响应。同时，结合自主故障诊断与快速恢复策略，确保系统在动态、非理想条件下的高可靠性运行。
相较于WPT 1.0，I2WPT系统因集成感知、通信与计算模块，其架构复杂度和建设成本显著增加。尤其在城市交通、工业物流等大规模应用中，高昂的显性成本（硬件、安装）与隐性成本（运维、升级）成为制约其商业化落地的关键障碍。因此，如何精细权衡系统性能、可靠性与全生命周期成本，是实现其可持续工程应用的核心。建立标准化的成本效益评估模型，并发展可复用、可维护的模块化设计与部署体系，是推动I2WPT规模化应用的重要前提。
作为以数据驱动的智慧系统，I2WPT的运行依赖对海量、异构数据的实时处理，以实现精准的功率控制、健康管理与故障预测。数据密集型特性导致了算力需求与安全防护的双重挑战。一方面，它对资源受限的边缘节点算力构成严峻考验，亟须轻量化人工智能算法及“终端-边缘-云端”协同计算架构予以应对；另一方面，系统交互涉及充电行为、位置轨迹等高度敏感信息，必须构建覆盖“终端-边缘-云端”的多层级安全体系，集成加密通信、细粒度访问控制与隐私保护等机制，以抵御潜在的数据泄露、篡改及网络攻击风险。
I2WPT的规模化应用，不仅是技术问题，更是商业模式的创新问题。当前，高昂的前期投入与不确定的投资回报是其商业化面临的主要矛盾。化解该矛盾的关键在于，推动运营理念从传统的销售硬件设备向提供能源服务转型。例如，在公共服务领域，运营商可通过收取充电服务费、参与电网辅助服务或提供数据增值服务来构建多元化盈利模式。在工业领域，则可通过服务订阅式运维的打包方案，降低用户初次投入门槛并创造持续性收入。
虽然现有的WPT标准已覆盖基础电气特性，但它们远不能满足I2WPT在复杂信息交互与智能控制层面的需求。然而，智慧层标准的缺失，导致不同厂商的设备在感知、通信与协同等高阶功能上无法互联，形成事实上的信息孤岛，严重阻碍产业生态的健康发展。因此，亟须构建一套开放、统一的智慧化协议体系，该体系需全面覆盖感知数据格式、双向通信协议、协同控制接口及网络安全机制。推动产业链上下游协同制定该标准体系，是打破软硬件接口壁垒，实现高阶互操作性、系统安全性与部署效率的基础。
I2WPT的实现是典型的系统工程，其成功取决于电气、通信、计算、人工智能及材料科学等多学科的深度融合。然而，不同学科间固有的技术目标、评价体系的差异会形成学科壁垒，导致在系统架构设计与接口标准制定上难以协同对齐。该壁垒阻碍了系统架构设计与接口标准的协同优化，导致研发资源集中于局部技术突破，难以实现系统全局最优。因此，推动产业从单点突破向系统性创新的转变至关重要，其关键在于建立支持跨领域协同的通用技术框架与开放产业生态，以促进知识共享与技术融合，为I2WPT的持续演进提供土壤。
构建完整的I2WPT技术体系并非孤立技术的简单叠加，而是遵循严谨的系统工程逻辑，即在系统内部构建完整感知、认知与决策的智能控制闭环，该路径可分三阶段递进实现，如图3所示。
图3 I2WPT的实现路径
Fig.3 Implementation path of I2WPT
阶段一为物理状态感知层构建，旨在实现物理世界的数据化。此阶段通过向WPT系统部署温度、位置及电流多模态传感器，并集成边缘计算模块，构建高精度物理状态感知层，其目标是为上层智慧决策提供可靠、高保真度的数据输入，构成I2WPT智慧化实现的物理基础。
阶段二为数字孪生与状态感知，旨在实现从数据到信息的转变。基于底层感知数据，通过在线监测与参数辨识算法，构建与物理实体实时同步、模型参数动态更新的数字孪生体。此阶段的核心是实现从原始数据到系统状态感知的转换，为后续的精准控制与优化决策提供精确的模型支撑。
阶段三为通信交互与闭环控制，旨在实现从信息到行动的闭环。此阶段致力于建立统一、安全、高效的通信协议，打通终端、边缘、云端之间的信息链路。在此基础上，云端或边缘侧人工智能模型的全局优化决策通过低延迟控制链路下达，最终形成从物理世界感知、数字世界认知到最优决策并反作用于物理世界的全流程智慧闭环。
由于本文为前瞻性研究，尚未开展具体实验，采用假设性模拟数据来支持技术分析。根据现有文献和技术推演，设定了以下假设数据：
1）在静态工作场景下，I2WPT系统的功率传输效率大于或等于95%。
2）在动态工作场景下，I2WPT系统的功率传输效率大于或等于90%。
3）在系统响应时间方面，I2WPT系统能够在负载变化、设备位置偏移或其他因素的影响下，通过调整逆变器的频率和占空比，保持稳定的输出特性，响应时间小于或等于200 ms。
4）作为进入5G+甚至6G时代的技术，在复杂电磁环境下，I2WPT系统的信号丢包率应与通信标准一致，即小于或等于0.01%。
构建I2WPT系统的意义不仅限于技术层面的创新，更旨在推动WPT技术的范式革新，即从单一的能量传输工具，向综合性的能量信息智慧平台转变。该演进有望突破WPT 1.0的应用边界，使无线充电的应用形态从终端接入的离散模式，向区域覆盖的网络化服务转变，从而为一系列战略性新兴产业提供关键技术支撑。
3.2.1 赋能低空经济：构建无人飞行器自主运营网络
当前无人飞行器商业化部署的核心瓶颈在于其有限的续航能力，频繁地人工介入进行充电或更换电池，严重制约了作业的连续性与自主性，并导致运营成本高昂。针对此瓶颈，I2WPT可通过在城市楼宇、路灯杆等基础设施上部署分布式补能节点，构建无人飞行器自主运营网络。其关键优势在于，I2WPT不仅是充电设施，更是能量与信息交互的关键枢纽。无人飞行器在补能的同时，可通过高带宽信道回传高清视频等载荷数据，并接收动态任务指令，从而实现无人系统从独立飞行器向网络化运行节点的根本性转变，构建高效自主的低空经济体系。
3.2.2 驱动超级高铁：实现千公里时速下的连续供能
以超级高铁为代表的超高速轨道交通旨在实现超越民航客机的地面运行速度，是未来交通的颠覆性技术。然而，在超千公里时速的极端工况下，传统接触式或常规非接触式供电方案均面临效率、稳定性与安全性的严峻挑战。I2WPT的大功率动态供电方案为此提供可行方案，通过沿线部署可分段、分时激活的MW级供电模块，为列车提供不间断的动力。此场景的实现极度依赖I2WPT超前的感知预测与μs级的快速响应能力，系统需实时预判列车位置，并瞬时完成通道切换与功率调节，以匹配极端速度下的动态耦合与负载变化。因此，具备预测性控制能力的I2WPT系统是保障此类颠覆性交通方式安全运行的核心使能技术。
3.2.3 重塑智慧医疗：构建智慧的生命数据总线
新一代主动式植入医疗器件（如脑机接口、神经刺激器）正向智能化、复杂化发展，导致其功耗显著增加，如果传统植入医疗器件依赖电池更换，不仅限制设备寿命，更迫使患者接受周期性创伤手术，增加风险与负担。I2WPT不仅可为植入器件提供安全、无创的长期能量支持，更能利用其高可靠性的信息传输能力，在患者和医疗机构间构建一条无形的生命数据总线。海量高保真的生理数据（如神经元信号）可被实时采集与回传，为精准诊断和个性化治疗提供依据。此外，I2WPT还能为可吞服式体内微型机器人（如可吞服医疗机器人）提供精准定位、无线供电与双向通信，保障其在消化道等复杂环境中的高效运行，为微创诊疗、远程监护等前沿方向提供新技术方案。
3.2.4 适用于极端环境：部署无人系统的能源绿洲
对于地外、深海、核禁区等人类难以直接到达的极端环境，无人探测器的长周期、高强度作业能力受限于其机载电池容量，同时，物理充电接口在宇宙尘埃、高压、强辐射等条件下存在失效风险。I2WPT的无物理接触特性可应对上述挑战，通过预先部署由太阳能电池供电的I2WPT，可构建能长期自持运行的能源绿洲网络。无人探测器能根据任务需求和自身电量，自主规划路径并前往补能，从而摆脱电池容量的物理束缚，实现长期驻留和连续作业，有效扩展人类科学探索边界。
3.2.5 革新未来出行：构筑智慧无线电能传输云网
随着电动汽车的大规模推广，充电便利性与电网可承载能力成为制约其可持续发展的关键瓶颈。同时，随着无人驾驶出行场景的兴起，对电动汽车充电过程提出全流程自动化的要求，通过在停车位、道路交叉口与高速公路行车道上分布部署I2WPT充电节点，并将其接入统一的云端管理平台，以构建可感知、可通信、可调度的“智慧无线电能传输云网”[15]。该网络可实时识别目标车辆的身份、位置、电量和运行意图，并结合电网负荷、电价、交通路况等多维信息以及调度算法，为电动汽车动态规划最优的充电节点与时机，提供无感、高效、个性化的能量补给服务。依托I2WPT的双向能量和信息传输能力，该云网具备组织海量电动汽车参与电网的辅助服务能力，实现车网能量互动。通过 I2WPT将规模化电动汽车集群转化为分布式储能系统，支撑区域级供电优化与可再生能源消纳，推动出行系统与能源系统的深度融合与协同进化。
I2WPT作为传统WPT技术的范式革新，其未来发展不仅是技术层面的单点突破，更标志着系统架构设计与认知模型构建的根本性转型。其功能定位将不再局限于单一的能量传输，而是成为未来智慧社会运行体系中的关键赋能节点。
当前WPT技术的工程化应用主要集中于基于近场磁耦合的中短距离点对点场景，其传输距离与耦合机构直径的比值即距径比通常较小（＜1:2），此约束构成应用范围的核心物理限制。然而，在电动汽车动态充电或无人机跨区域作业等新兴场景中，设备与供能线圈间存在显著的位置偏移与距离变化。现有近场技术方案难以在此类远距离或弱耦合条件下维持高效率、大功率的能量传输，无法满足工程需求。因此，未来首要的技术趋势是突破传统的路径依赖，探索多样化的物理机制以攻克超高距径比下（＞5:1）的高效能量传输难题，将WPT的有效作用范围从近场向中远场拓展。
为实现上述目标，需通过多技术路径协同突破。其一，在基础物理层面，利用超材料透镜等新型磁场调控技术，实现能量的定向聚束与投射；其二，在能量载波层面，探索毫米波或激光等新型传输方式，通过波束成形技术构建远程方向性高的能量传输链路，并克服能量衰减与生物安全限值等技术瓶颈；其三，在接收与转换层面，开发面向微弱能量的宽带、多频段能量捕获技术，以确保在动态、宽频、弱耦合的复杂条件下完成高效能量转换。上述技术趋势的最终目标是在特定空间内构建可控能量覆盖区域，显著缓解设备在续航方面的约束，使I2WPT节点成为能源互联网中按需供给的关键基础设施。
WPT 1.0阶段的系统本质上是功能单一的能量传输装置，其通信能力通常仅限于低速率的功率协商，无法支撑复杂的协同任务。在物联网、大数据与新一代通信基础设施日益普及的背景下，I2WPT必须从能量孤岛向智慧城市和工业4.0等体系融合。演进的核心在于将I2WPT单元从被动的供能末端重塑为具备原生能量信息融合能力的智慧节点，实现从被动响应到主动服务的跃迁。
为实现上述转变，需要在硬件和软件层面进行系统性升级。硬件层面需集成支持多协议栈的多模通信模块，并配备相应的传感与计算单元；软件层面则需建立统一的能量与信息协同传输协议，并内嵌任务导向的人工智能算法，实现对网络中能量流与信息流的全局规划和动态调度。I2WPT智慧节点将彻底改变用户体验和应用模式：在消费电子领域，设备可基于用户习惯和场景需求，无感、智能地按需补能；在电动汽车领域，车辆能依据路况、电价、电网负荷等多维信息，自主决策最优充电策略；在工业与医疗场景，智慧化的能量节点将支撑高密度的设备部署与灵活的服务调度。
当前已部署的WPT产品多为零散的孤立设备，彼此缺乏逻辑关联与系统级协调。上述孤岛式的部署模式无法进行全局资源优化，在智能仓储中智能推搬运机器人（Automated Guided Vehicle, AGV）集群运行、城市级充电网络等动态高密度场景中，易造成资源瓶颈与效率损失。因此，推动I2WPT从孤立设备向能量服务网络转变，是其规模化应用的必然趋势，该网络化演进旨在将分散的智慧节点互联，形成可管控、可优化的整体。
实现以上转变需要多项关键网络技术的支撑，首先是面向大规模节点动态接入的低延迟网络路由协议，以确保网络的稳定性与可扩展性。其次是分布式多智能体协同控制算法，使网络中各节点能自主协商并优化面向多移动目标的能量供给任务，避免单点故障和决策瓶颈。最后是建立云边端协同的体系架构，由云端负责长周期、全局性的策略优化，边缘节点负责区域内、ms级的实时调度，终端负责本地执行，形成高效的分布式服务机制。该趋势将WPT的服务模式从设备对设备的静态服务，彻底转变为网络对全域的动态服务，用户或设备只需接入该网络即可按需获取能源，其关注点将从能量的物理来源转变为服务的可获得性，为用电即服务的落地和未来能源系统的形态重塑奠定基础。
长期以来，WPT系统仅被视为被动性的供电装置，其功能局限于能量供给本身，不具备主动判断或任务参与能力，该定位使其在新应用场景中仅能扮演辅助性的外围部件。未来的核心演进之一，是推动I2WPT从供能工具到智慧基础设施的根本性角色转变，即从单纯的能量供给者，变为任务的参与者和协作者。
技术上，上述转变要求I2WPT节点嵌入边缘计算能力与任务导向的人工智能算法，使其具备数据处理、任务识别与策略执行等智能体能力。此类嵌入式智能体不再局限于优化充电行为本身，而是服务于其所在的更高阶系统。例如，在智慧物流场景中，充电节点在为机器人供能的同时，还能通过集成视觉或无线射频识别传感器识别货物状态，并与仓储管理系统实时交互；在智慧医疗场景中，体外供能设备在为植入体供能时，还能初步分析回传的生理信号，进行异常事件的早期预警。通过上述方式，I2WPT融入智能任务链，成为连接物理世界与数字空间的关键桥梁，是构筑未来智慧城市与数字社会关键支撑的新型基础设施。
目前，WPT的标准体系主要集中在基础的电气特性与物理层互操作性，但对于智慧化所必需的高层通信协议、感知数据结构、协同控制接口和网络安全机制等关键要素，尚缺乏统一规范。智慧化标准的缺失导致技术孤岛和厂商锁定问题，严重阻碍产业生态的健康发展和规模化推广。因此，未来的发展必须优先解决标准的统一问题，推动产业界、学术界与监管部门协同，建立开放、统一的全球化I2WPT标准体系。
该标准体系应具备分层架构设计，不仅兼容现有物理层标准，更需清晰定义应用层和控制层的智慧交互协议，通过标准化接口与数据规范，确保不同厂商、不同场景下的设备实现无缝的智慧互联与协同工作。统一的智慧化标准将促进产业协作，降低研发制造成本，并加速WPT节点的网络化部署，最终形成的立体化、广域化的能源网络，可与新型电力系统高效智慧互动，通过引导海量移动储能单元在电价低谷或绿电富余时充电，在高峰时段反向馈能，实现城市级的负荷调节与可再生能源消纳，从而显著提升能源系统的可持续性，为可持续发展的智慧能源生态和绿色城市建设提供坚实的支撑。
本文系统地探讨了WPT技术向智慧化演进的方向与可能的技术路径。研究表明，以功率和效率为核心的WPT 1.0架构，因其在感知、交互与动态适应性方面的固有局限，已难以满足未来智能系统对能源供给网络化、智慧化的新兴需求。为应对上述挑战，本文尝试构建了“智慧交互式无线电能传输”（I2WPT）的核心概念框架。该框架旨在为WPT技术从单一的能量传输工具，向具备感知、通信、计算与控制闭环能力的新一代信息物理系统的演进提供一种可行的思路。通过对关键挑战的梳理与渐进式实现路径的探讨，本文旨在为I2WPT的后续研究与工程探索提供初步的路线参考。
展望未来，I2WPT所展现的价值远不止技术自身的迭代，它所代表的能量与信息深度融合的范式，有望成为连接能源革命与数字革命的关键桥梁。在未来出行、低空经济、智慧医疗及极端环境探索等前沿领域，I2WPT有望从单纯的供能设备，发展为参与任务协同的智慧基础设施，为支撑下一代能源互联网与智能社会扮演关键角色。当然，I2WPT从概念走向现实仍面临诸多挑战，本文提出的框架仅为初步探索，未来研究仍需在核心器件、协同控制算法、网络安全及统一标准等方向持续深入地攻关。随着多学科交叉研究的深入与产业生态的成熟，智慧交互式无线电能传输技术能够在构筑可持续与智慧化未来的进程中，发挥其重要作用。
致谢：感谢团队成员燕雷雷、候墨楚、张世欣、公昊等的协助以及审稿专家对本文提出的宝贵建议。
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Abstract The global energy transition toward sustainability, coupled with the digital revolution toward the internet of everything, has necessitated the evolution of power systems into more intelligent and flexible infrastructures. Wireless power transfer (WPT), as a key enabling technology, has achieved widespread success in consumer electronics and static electric vehicle charging through efficient, unidirectional power flow. However, conventional WPT systems (WPT 1.0) are limited by a lack of requisite sensing, interaction, and adaptation capabilities, rendering them insufficient for complex, dynamic applications in emerging domains such as intelligent transportation and the low-altitude economy. To bridge this gap, this paper proposes the concept of intelligent and interactive wireless power transfer (I2WPT), representing a paradigm shift from a “power-centric” to an “interaction-centric” approach. I2WPT redefines the system from a simple energy supply tool into an intelligent cyber-physical system that unifies sensing, communication, computation, and control, enabling a systematic evolution from predetermined, open-loop operation to adaptive, closed-loop control.
The transition to the I2WPT paradigm involved addressing a series of scientific and engineering challenges, including robustness under spatial misalignments, lifecycle cost control for integrated hardware, and data security in edge computing. Accordingly, a structured, three-stage development roadmap is proposed to guide the realization of I2WPT. The initial stage focused on building a robust physical foundation by integrating multi-modal sensors and high-performance edge computing modules, enabling high-fidelity environmental and operational awareness. The second stage leverages this perceptual data to construct a high-fidelity digital twin of the system, which allowed for real-time online monitoring, parameter identification, and predictive diagnostics. The final stage establishes a unified communication and control framework, where system-wide, AI-driven algorithms perform adaptive optimization and coordinated scheduling, completing the full “sense-cognize-decide-act” loop.
Based on this framework, five core characteristics of the I2WPT system are identified: adaptive power regulation, multi-device collaborative management, bi-directional energy-information interaction, data-driven predictive optimization, and full-cycle safety assurance. Further systematic analysis and technical deductions indicate that the I2WPT system is designed to achieve a power transmission efficiency of ≥95% in static scenarios and maintain ≥90% in dynamic working environments. By adjusting the inverter frequency and duty cycle through the closed-loop control mechanism, the system response time to load variations and device position offsets can be reduced to less than 200 ms. Furthermore, under complex electromagnetic environments, the signal packet loss rate is projected to remain at ≤0.01%, aligning with 5G and 6G communication standards. These metrics theoretically validate the capability of the system to maintain stable output characteristics despite external disturbances such as foreign object intrusion or coupling fluctuations.
The implementation of I2WPT unlocks strategic application prospects across multiple domains. In future mobility, I2WPT enables dynamic charging and vehicle-to-grid (V2G) interaction, turning electric vehicle fleets into manageable, distributed energy resources. In the low-altitude economy, it creates autonomous energy replenishment networks that integrate power and high-bandwidth data transfer for drone swarms. For smart healthcare, it serves as a wireless “life-data bus”, safely powering advanced implantable devices while transmitting critical physiological data. In extreme environments such as deep-sea and space exploration, I2WPT nodes function as an “energy oasis” to support long-duration unmanned missions. Ultimately, I2WPT emerges as a key enabling technology for the future energy internet, providing a theoretical foundation and practical guide for the convergence of energy and information systems, thereby supporting the development of a sustainable and intelligent society.
Keywords: Intelligent and interactive wireless power transfer (I2WPT), cyber-physical system, energy and information fusion, perception and control
中图分类号：TM15；TM73
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.251703
国家自然科学基金（52477005, 52207010）、河北省中央引导地方科技发展资金（236Z5201G）、河北省高等学校科学研究项目合作专项（CXY2024010）、河北省燕赵青年科学家项目（E2024202109）和河北省省级科技计划（24464401D）资助项目。
收稿日期2025-10-09
改稿日期 2025-10-22
杨庆新 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为工程电磁场与磁技术。
王奉献 男，1995年生，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术。
E-mail：fx-wang@outlook.com（通信作者）
张 献 男，1983年生，教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输技术，工程电磁场与磁技术。
E-mail：zhangxian@hebut.edu.cn（通信作者）
章鹏程 男，1991年生，讲师，研究方向为无线电能传输技术。
E-mail：pczhang@tsinghua.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）