無線電能傳輸利用空氣中的電磁場(chǎng)作為介質(zhì)，無需任何物理接觸、導(dǎo)線或電纜，就可將電能從一個(gè)電路傳輸至另一個(gè)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(chǎng) 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(shí)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?shí)現(xiàn)基于時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)技術(shù)，該傳輸系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，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(fèi)電子和可穿戴設(shè)備。

在這些應(yīng)用場(chǎng)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(jī)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(shí)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(dòng)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(chǎng)作為介質(zhì)，無需任何物理接觸、導(dǎo)線或電纜即可將電能從一個(gè)電路傳輸至另一個(gè)電路。根據(jù)所采用的電磁場(chǎng)類型，WPT 可分為以下幾類：

1

遠(yuǎn)場(chǎng) WPT

通過微波、射頻波、激光或光波等電磁輻射實(shí)現(xiàn)電能傳輸。

2

近場(chǎng) WPT

通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)實(shí)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(chǎng)景中找到了用武之地。WPT 可為電動(dòng)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(cè)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(chǎng)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(chǎng) WPT。近場(chǎng) WPT 主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：

→

通過交變電場(chǎng)并利用互電容將電能從一個(gè)電路傳輸至另一個(gè)電路。這類近場(chǎng)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(gè)金屬電極或電容器極板。金屬電極兩端電壓隨時(shí)間的變化率是決定 CPT 功率傳輸?shù)燃?jí)的核心參數(shù)。

→

通過交變磁場(chǎng)并利用互感磁通將電能從一個(gè)電路傳遞至另一個(gè)電路，這類近場(chǎng)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(shí)現(xiàn)，其核心組件通常是兩個(gè)感應(yīng)線圈。

近場(chǎng) WPT 通過感應(yīng)或磁耦合電路實(shí)現(xiàn)

感應(yīng)式電能傳輸是應(yīng)用最廣泛的近場(chǎng) WPT 技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、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(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體載有電流時(shí)，其周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)電流類型（直流或交流），產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別為恒定磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體繞制成線圈形式時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)被放大。在線圈中引入環(huán)路可進(jìn)一步增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)诙€(gè)（次級(jí)）線圈被置于第一個(gè)（初級(jí)）線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中時(shí)，次級(jí)線圈內(nèi)會(huì)感應(yīng)出電流。當(dāng)負(fù)載連接至次級(jí)線圈時(shí)，電流流向負(fù)載并感應(yīng)出電壓。這就是磁耦合實(shí)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(dǎo)率鐵芯，線圈纏繞其上。

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

IPT 系統(tǒng)中的磁耦合電路是實(shí)現(xiàn)無線電能傳遞的關(guān)鍵組件。其本質(zhì)是由兩個(gè)間距較大的線圈構(gòu)成，這個(gè)間距遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)變壓器中初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的距離。電能傳輸通過空氣介質(zhì)進(jìn)行，而空氣的磁導(dǎo)率較低。在 IPT 的磁耦合電路中，初級(jí)與次級(jí)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(huì)產(chǎn)生顯著的漏磁場(chǎng)。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(duì)比 IPT 中的變壓器與磁耦合電路，后者的初級(jí)和次級(jí)線圈耦合度相對(duì)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)越的磁耦合性能。IPT 的這一優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用于 WPT 距離超過 100 毫米的電動(dòng)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(jì)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(jì)用于 5G、汽車、高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的系統(tǒng)時(shí)，該工具的仿真精度可達(dá)到黃金標(biāo)準(zhǔn)，其突破性 EM 仿真技術(shù)可解決最復(fù)雜的電磁挑戰(zhàn)，使您能夠順利完成驗(yàn)收并成功將系統(tǒng)投入生產(chǎn)過程。

其中，Clarity 3D Layout 是針對(duì)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(duì) PCB、封裝、Die 等層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門優(yōu)化，可以更好的幫助工程師進(jìn)行電磁仿真和驗(yàn)證，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。