無線電能傳輸利用空氣中的電磁場作為介質(zhì)，無需任何物理接觸、導線或電纜，就可將電能從一個電路傳輸至另一個電路。

WPT 可在短距離內(nèi)傳輸電能，這種無線電能傳輸方式被稱為近場 WPT。

影響感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)性能的因素包括頻率和磁耦合電路參數(shù)，例如線圈間距、線圈尺寸以及線圈環(huán)路直徑。

傳統(tǒng)有線電能傳輸系統(tǒng)中雜亂的電線與電纜不僅使用不便，有時還存在安全隱患且占用空間。無線電能傳輸（Wireless power transfers，WPT）系統(tǒng)通過無線方式傳輸電能，有效規(guī)避了傳統(tǒng)有線電能傳輸?shù)倪@些問題。

無線電能傳輸?shù)膶崿F(xiàn)基于時變電場、磁場或電磁場技術(shù)，該傳輸系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，不僅應(yīng)用于汽車工業(yè)，還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域以及消費電子和可穿戴設(shè)備。

在這些應(yīng)用場景中，通過 WPT 技術(shù)傳輸?shù)墓β史秶鷱牡偷礁卟坏?/strong>。大功率 WPT 采用磁耦合電路作為電能傳輸機制。通過感應(yīng)耦合或磁耦合來傳輸電能是最常見的 WPT 方式，利用磁耦合線圈實現(xiàn)電能傳輸。本文將深入探討感應(yīng)耦合與磁耦合技術(shù)。

汽車行業(yè)利用無線電能傳輸技術(shù)給電動汽車充電

無線電能傳輸

無線電能傳輸（WPT）利用空氣中的電磁場作為介質(zhì)，無需任何物理接觸、導線或電纜即可將電能從一個電路傳輸至另一個電路。根據(jù)所采用的電磁場類型，WPT 可分為以下幾類：

1

遠場 WPT

通過微波、射頻波、激光或光波等電磁輻射實現(xiàn)電能傳輸。

2

近場 WPT

通過電場或磁場實現(xiàn)電能傳輸。

無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用

WPT

如前所述，無線電能傳輸在多種場景中找到了用武之地。WPT 可為電動汽車無線充電，成為道路交通系統(tǒng)的重要組成部分。WPT 技術(shù)還被應(yīng)用于植入式醫(yī)療器械，為心臟起搏器、腦部監(jiān)測電路等供電。由于無需布線，WPT 也應(yīng)用于無塵室、采礦行業(yè)和水下環(huán)境中。

近場無線電能傳輸

WPT 可在短距離內(nèi)傳輸電能，這種無線電能傳輸方式被稱為近場 WPT。近場 WPT 主要通過兩種方式實現(xiàn)：

→

通過交變電場并利用互電容將電能從一個電路傳輸至另一個電路。這類近場無線電能傳輸技術(shù)通常被稱為電容式電能傳輸（Capacitive Power Transfer，CPT）。CPT 發(fā)生在電容耦合電路之間，主要是兩個金屬電極或電容器極板。金屬電極兩端電壓隨時間的變化率是決定 CPT 功率傳輸?shù)燃壍暮诵膮?shù)。

→

通過交變磁場并利用互感磁通將電能從一個電路傳遞至另一個電路，這類近場無線電能傳輸技術(shù)被稱為感應(yīng)式電能傳輸（Inductive Power Transfer，IPT）。IPT 通過磁耦合電路實現(xiàn)，其核心組件通常是兩個感應(yīng)線圈。

近場 WPT 通過感應(yīng)或磁耦合電路實現(xiàn)

感應(yīng)式電能傳輸是應(yīng)用最廣泛的近場 WPT 技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能手機、植入式醫(yī)療器械、可穿戴電子設(shè)備及汽車等領(lǐng)域。感應(yīng)耦合或磁耦合利用導線中電流產(chǎn)生的磁場。當導體載有電流時，其周圍會產(chǎn)生磁場。根據(jù)電流類型（直流或交流），產(chǎn)生的磁場分別為恒定磁場或交變磁場。當導體繞制成線圈形式時，磁場會被放大。在線圈中引入環(huán)路可進一步增強磁場強度。

當?shù)诙€（次級）線圈被置于第一個（初級）線圈產(chǎn)生的磁場中時，次級線圈內(nèi)會感應(yīng)出電流。當負載連接至次級線圈時，電流流向負載并感應(yīng)出電壓。這就是磁耦合實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)脑怼?/p>

IPT 中的磁耦合電路與變壓器有何不同？

IPT 的原理是電磁感應(yīng)，這一原理同樣適用于傳統(tǒng)變壓器。變壓器采用高磁導率鐵芯，線圈纏繞其上。

變壓器的鐵芯、初級線圈和次級線圈是實現(xiàn)電磁感應(yīng)電壓的三個核心部件。

IPT 系統(tǒng)中的磁耦合電路是實現(xiàn)無線電能傳遞的關(guān)鍵組件。其本質(zhì)是由兩個間距較大的線圈構(gòu)成，這個間距遠大于傳統(tǒng)變壓器中初級線圈和次級線圈的距離。電能傳輸通過空氣介質(zhì)進行，而空氣的磁導率較低。在 IPT 的磁耦合電路中，初級與次級線圈共享的互感通磁路徑具有極高的磁阻，形成松耦合線圈結(jié)構(gòu)。

IPT 系統(tǒng)中線圈間的松耦合特性會產(chǎn)生顯著的漏磁場。這限制了 IPT 的功率傳輸水平。影響 IPT 性能的其他因素包括頻率和磁耦合電路參數(shù)，例如線圈間距、線圈尺寸以及線圈環(huán)路直徑。就變壓器而言，其耦合度較高，相關(guān)的漏磁通較低。

對比 IPT 中的變壓器與磁耦合電路，后者的初級和次級線圈耦合度相對較低。但與同尺寸的 CPT 系統(tǒng)相比，IPT 系統(tǒng)能在感應(yīng)線圈間距較大的情況下實現(xiàn)更優(yōu)越的磁耦合性能。IPT 的這一優(yōu)勢被應(yīng)用于 WPT 距離超過 100 毫米的電動汽車充電領(lǐng)域。

Cadence 軟件為此提供了專門的仿真工具，可助力設(shè)計人員分析 WPT 系統(tǒng)。Clarity 3D Solver 是一款3D 全波電磁仿真軟件工具，在設(shè)計用于 5G、汽車、高性能計算和機器學習應(yīng)用的系統(tǒng)時，該工具的仿真精度可達到黃金標準，其突破性 EM 仿真技術(shù)可解決最復雜的電磁挑戰(zhàn)，使您能夠順利完成驗收并成功將系統(tǒng)投入生產(chǎn)過程。

其中，Clarity 3D Layout 是針對層狀結(jié)構(gòu)的仿真套件。它不僅求解精度高，仿真速度快，而且針對 PCB、封裝、Die 等層狀結(jié)構(gòu)進行了專門優(yōu)化，可以更好的幫助工程師進行電磁仿真和驗證，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。