無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術憑借其靈活、可靠、便捷的技術優勢，近些年在科研與商業領域都取得了諸多成果。目前無線電能傳輸系統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展前景，包括植入醫學設備、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本質上是一個電能與信息同步傳輸系統。電能與信息同步傳輸（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer, SWPIT）系統如圖1所示，對于實際工程應用而言，無線電能傳輸系統為保證能量高效穩定地從電能發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射側，電能發射端與負載接收端不僅需要進行能量傳輸，也需要實現數據通信。

圖1 電能與信息同時傳輸系統

總體而言，電能與信息同步傳輸系統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，主要用于系統的閉環控制、狀態監測、最大效率/功率跟蹤控制等；②系統工作數據：與系統整體實現的功能與用途有關，如發射端發送的功能控制命令、接收端傳感器采集的反饋工作數據等。研究如何在電能發射端與接收端之間同時建立穩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系統實現及其優缺點比較

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展，系統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，可進一步實現芯片級的高度集成化與小型化，深刻嵌入現代社會的各個領域。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。近場磁耦合能量與信息同步傳輸系統可實現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射源或負載必須按需發射或接收能量，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的發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）物聯網設備供電：未來物聯網（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工作。近場磁耦合能量與信息同步傳輸技術可實現攜能通信，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。