整理：A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer

之前写申请书，再写申请书的之前，看过一些论文，短短的整理整理一些。
原文：A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer
中文大概：

介绍

无线电能传输起源于特斯拉，依据传输的机制可分为：
- 辐射式无线电能传输
- 非辐射式无线电能传输

辐射式无线电能传输传输距离较远，但是由于全方向电能传输的特性，导致能量效率较低。
非辐射式都是通过近场的磁耦合来实现的，可分为：
- short-range
- mid-range(传输距离大于谐振器（coil resonator）的尺寸)

无线电能传输的引用研究：（short-range）
- 医疗植入（60年代起）
- 感应加热（70年代起）
- 现代（modern）无线电能传输应用：the inductive power transfer (IPT) system （90年代起）、便携式无线充电设备（如手机）（2000年起）;为此，还产生了Qi标准。

以上都采用了特斯拉的两条基本准则:
1) using near-field (i.e., nonradiative) magnetic coupling(i.e., magneto-inductive effects);
2) resonance techniques for both transmitter and receiver circuits.
1）使用近场（即，无辐射）磁耦合（即磁感应效应）；
2）发射和接收电路的谐振技术。
使用两条准则的原因：补偿外露的电磁感应（compensate the leakage inductance）实现高效率传输。

IPT系统的传输功率分布广泛：
- 千瓦级别（如电动汽车，效率可达90%以上）
- 低功耗级别（如手机，高达5w，效率70%以上）

工作频率在：20kHz 到 几兆Hz 之间（原因：源于电源电路、商业允许）
但，mid-range的工作频率范围：10kHz-200Mhz;如果超过10MHz,会增大成本、导致驱动电路的开关损耗。

随着short-range WPT 的逐渐成熟，mid-range WPT近十年的兴起。
这篇文章的主要内容：
1. 特斯拉早起研究的总结以及对现代研究的启示
1. 四种WPT模型：
1、圈系统
2、匹配的四线圈系统
3、继的WPT
4、omino-resonator (多米诺中继)WPT
1. 最大功率准则和最大效率准则
1. 其它

特斯拉早起研究的总结以及对现代研究的启示

特斯拉的重要三个发现：
1. 在驱动和工作电路之间的电感耦合的想法；
1. 调整两个电路的重要性，即“振荡变压器”的想法
1. the idea of a capacitance loaded open secondary circuit

这三个方面的发现已经形成了无辐射和辐射无线的基本原则。特别是，他发现使用两个调谐电路作为一个“振荡变压器”。这两个发射机和接收器电路被调谐到工作在共振模式。“振荡变压器”的概念超越了纯粹的磁感应原理，更精确地说，是指利用两个线圈谐振器之间的谐振。

特斯拉无线电能传输的示意图：包括了一个初级线圈和一个次级线圈。

启示：特斯拉表明使用一对磁耦合线圈的磁共振谐振器可以实现最佳的能量传输。这一发现也一直是最近中距WPT的研究焦点。

中距离无线电能传输的基本原则

基本模型：

1.两个基本概念

• 最大功率传输准则
• 最大效率传输准则
  区分这两个准则是一个重要的问题：
• PE（power eletronics) researchers 认为电源内阻应该设计的最小以实现效率最大化
• RF（redio-frequency) researchers 认为阻抗匹配（最大功率传输定理）是最常见的射频电路设计方案。
  所以：
  了解两个基本概念的优缺点是十分必要的，在系统效率与传输距离上都有着重要的意义。

2.阻抗匹配以实现最大功率

通常，所有WPT模型都能等效为如下电路图（a）：

通常，最大功率和最大效率的传输条件不是等同的，如图（b）:
对于给定的Rs,当Rl=Rs时，输出功率最大；而Rl越大，传输效率最大。

最大功率点在阻抗匹配之时，此时效率最大不超过50%

可以看出，如果采用最大功率准则，至少有一半的功率损耗在源内阻上。因此，在源端的损耗是不可忽略的。
举例说明：
【Kurs A, Karalis A, Moffatt R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. science, 2007, 317(5834): 83-86.】
传输距离2m,传输效率40%，系统效率15%。

所以，最大功率准则应该用于一些效率不是主要要求的情况：功率较低的应用。（功率中、高的应用如：无线照明系统、电动汽车等）

RF（redio-frequency)背景的研究人员还采用二端口网络来分析系统：

很重要的问题是要区分系统效率与传输效率：

入射波和反射波之间的散射矩阵如下：

则正向传输增益为：

实现最大S21，也即实现最大功率传输。

3.最大效率

一个等效的多中继的电路模型图如下：

假设无磁芯损耗、无电容的等效电阻，则所有的损耗都在源电阻和中继线圈的内阻上，有：

所以，应采用降低Rs和线圈内阻来实现高效率传输。

在中距离WPT上的recent study

两个谐振器（即两线圈）

- 系统效率与传输距离：


随着传输距离的增大，耦合系数会急剧下降，传输效率急剧下降。
- 频率分裂：
因为过耦合不能在谐振时实现最大功率传输。

k12的减小意味着传输距离d的增大，可以看到如下的仿真结果：
- 过耦合时，存在着两个频率使得S21达到最大
- 超过临界耦合点时，当距离d增加时，S21急剧下降

四线圈系统与阻抗匹配

系统模型：

如果要实现最大功率传输则，需要满足：

经典结论。。。来自。。

Circuit-model-based analysis of a wireless energy-transfer system via coupled magnetic resonances

如果P、D线圈的电感值、谐振频率一致:


如果，令：
则：

此结论可以提供一种延长传输距离的机制：（两线圈所没有的）
最大化d,即最小化Ksr（如ksr=0.01,kps=0.01,krd=0.01即可满足上诉要求；可以调整kps,krd的值）
但是，这种条件下，理论上的最大传输效率仍然不超过50%。（但就系统效率和传输距离而言，要优于两线圈的结构）

四线圈仍然存在着：频率分裂。（原因是仍然涉及了两个线圈之间的阻抗匹配，当过耦合时依然有频率分裂现象）
衍生：
- 重要特性：在强耦合范围内，可以近似实现恒功率传输（医用植入物的一个重要特性）
- 自适应频率跟踪技术，来避免频率分裂。
- 反谐振回路，来消除频率分裂，实现恒谐振频率。

总结：
四线圈和阻抗匹配是一种有效的方式提升传输距离，代价是降低了传输效率。

带有中继的WPT

中继的主要作用：
提升传输效率与传输距离。
给出了一些参考文献，如：
Zhang F, Liu J, Mao Z, et al. Mid-range wireless power transfer and its application to body sensor networks[J]. Open Journal of Applied Sciences, 2012, 2(01): 35.
将中继WPT应用在人体无线传感网之上用以健康检测。

多米诺WPT

概念起源于：波导的概念。
研究尚在起步阶段，典型应用：机械臂（robotic arm）(肘关节和那里的频繁弯曲作用，会对电缆的可靠性产生不利的影响)
我总结特点：
- 工作频率可以在兆Hz以下（电源廉价、交流电阻小等优点）
- 结构各种各样，能量流控制的非常灵活，可以是split或者combined
- 超导材料的应用，使得“无线电能传输导”更与有灵活性
- 按最大效率准则设计，可以应用于高功率应用。
- 可设计为环形，能量流可以顺时针和逆时针两个方向传递。

其它技术

• 降低绕组电阻
  一般的WPT不需要磁芯，所以能量在绕组的损耗是能量损耗的主要原因之一。而一般的高频工作频率导致的交流电阻是不可忽略不计的。
  所以，应该采取一定的方式降低绕组电阻。

• 新型方法布局：
  一种表面螺旋布局：降低了趋肤效应
  
  

• 磁镀导线：
  采用铜导线，表面覆盖有铁和镍这2种磁性介质，形成所谓的“磁
  镀导线”(magnetoplated wire)，能够增强电感(互感和自感)，同时减小了由于趋肤效应引起的损耗
  

对人体的影响（略）