原書(shū)前言
談到無(wú)線電能傳輸（WPT），我們不能不提尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），他在100年前就進(jìn)行了WPT和無(wú)線通信的歷史性實(shí)驗(yàn)。盡管他沒(méi)能向另一個(gè)大陸發(fā)送無(wú)線電能，但他激發(fā)了無(wú)線發(fā)送電能的想法。從那時(shí)起，幾乎在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域每一個(gè)試驗(yàn)和每一份努力都在發(fā)展或者源于特斯拉的想法。他的發(fā)明之一便是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這是一種WPT結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子組成一個(gè)發(fā)送器（Tx）和接收器（Rx），形成一個(gè)變壓器。變壓器也是一種WPT結(jié)構(gòu)，其中一次和二次繞組是WPT系統(tǒng)的Tx和Rx。令人驚訝的是，松散耦合變壓器出現(xiàn)在感應(yīng)電能傳輸（IPT）系統(tǒng)的等效電路中，這是目前應(yīng)用廣泛的WPT技術(shù)。請(qǐng)注意，交流變壓器的使用使人類(lèi)社會(huì)的電氣化成為可能鑒于此，我們可以說(shuō)WPT是現(xiàn)代社會(huì)的根源之一。
本書(shū)的作者從2008年開(kāi)始就對(duì)WPT產(chǎn)生了興趣，也就是在美國(guó)麻省理工學(xué)院著名的Soljacic在2.1m距離上無(wú)線發(fā)送60W功率的實(shí)驗(yàn)一年之后。
Chun T.Rim博士的研究從道路供電電動(dòng)汽車(chē)（RPEV）的IPT開(kāi)始，當(dāng)時(shí)加利福尼亞州高級(jí)交通和公路（PATH）團(tuán)隊(duì)的合作伙伴已經(jīng)在20世紀(jì)90年代展示了他們的RPEV公交車(chē)。作為一名電力電子工程師，他在審閱了關(guān)于PATH項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的終報(bào)告后，起初并不完全相信RPEV的成功。PATH團(tuán)隊(duì)的60%的低效率和7.6cm的小間距看起來(lái)并不適用于商業(yè)化。他不由得想起了KAIST前總裁Nam P.Suh博士。Nam P.Suh堅(jiān)持認(rèn)為道路充電電動(dòng)汽車(chē)相比于純電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)是更有競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化方案。在他的強(qiáng)烈支持和指導(dǎo)下，名為在線電動(dòng)汽車(chē)（OLEV）的韓國(guó)版本道路充電電動(dòng)汽車(chē)得到了加速發(fā)展和商業(yè)化。幸運(yùn)的是，Rim博士成為這個(gè)估值超過(guò)4000萬(wàn)美元的韓國(guó)全國(guó)性項(xiàng)目核心成員之一。他是負(fù)責(zé)為OLEV開(kāi)發(fā)IPT系統(tǒng)的關(guān)鍵團(tuán)隊(duì)成員之一，并在2013年之前為OLEV開(kāi)發(fā)了四代IPT系統(tǒng)，那時(shí)他開(kāi)始獨(dú)立開(kāi)發(fā)第五代IPT系統(tǒng)。他開(kāi)發(fā)了U型、W型、I型和S型供電導(dǎo)軌，用于OLEV公共汽車(chē)、運(yùn)動(dòng)型多用途車(chē)和火車(chē)。OLEV巴士和火車(chē)分別于2014年和2010年部署并商業(yè)化。OLEV被世界經(jīng)濟(jì)論壇評(píng)選為2010年50項(xiàng)發(fā)明和2013年10項(xiàng)新興技術(shù)中的項(xiàng)。
Rim博士在成功開(kāi)發(fā)了OLEV之后，將其在WPT的研究領(lǐng)域擴(kuò)展到了靜態(tài)電動(dòng)汽車(chē)充電、移動(dòng)設(shè)備充電、機(jī)器人電源和無(wú)人機(jī)電源。2013年，他首次證明了Soljacic的四個(gè)線圈的耦合磁共振不是先進(jìn)的，可以等效地退化為兩個(gè)線圈的傳統(tǒng)IPT。此外，他還證明了采用創(chuàng)新偶極子線圈的傳統(tǒng)IPT可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)5m、功率為209W的WPT。近，他用同樣的技術(shù)在12m的距離上用IPT獲得了10W的功率傳輸。在2015年，通過(guò)在IPT上采用交叉偶極子線圈，對(duì)于都是平板型的發(fā)射接收線圈實(shí)現(xiàn)了6個(gè)自由度的移動(dòng)充電，從而在自由空間提供連續(xù)無(wú)線供電。
他開(kāi)發(fā)的一系列基于偶極子線圈的IPT顯示了替換基于標(biāo)準(zhǔn)線圈的IPT的可能性，因?yàn)榕紭O子線圈將線圈的維度從兩個(gè)減少到一個(gè)。這樣，二維偶極子線圈可以產(chǎn)生與三維線圈相同的磁通分布。這種無(wú)量綱特性對(duì)于緊湊和遠(yuǎn)程應(yīng)用［如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和可穿戴設(shè)備］至關(guān)重要。Rim博士目前正在開(kāi)發(fā)特殊用途的WPT技術(shù)，如無(wú)線滑環(huán)、無(wú)線核儀器和合成磁場(chǎng)聚焦（SMF）。其中SMF通過(guò)合成2013年發(fā)明的陣列線圈的單獨(dú)可控電流，可以提高磁場(chǎng)的分辨率。
除了上述WPT技術(shù)的新發(fā)展之外，Rim博士還設(shè)想了WPT的新理論，因?yàn)樗�發(fā)現(xiàn)WPT幾乎沒(méi)有可用的理論。麥克斯韋方程不能直接用于線圈設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)抵消問(wèn)題。這就是為什么他為線圈設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)磁鏡模型，為共振電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)回轉(zhuǎn)器電路模型。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)WPT的分析和設(shè)計(jì)中，采用了他很久以前開(kāi)發(fā)的相量變換方法。
與此同時(shí)，Chris Mi博士于2008年開(kāi)始了他在WPT的獨(dú)立研究。在過(guò)去的8年中，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了許多獨(dú)特的WPT系統(tǒng)拓?fù)�，包括雙重LCC補(bǔ)償拓?fù)�、大功率電容無(wú)線功率傳輸（CPT）技術(shù)、低紋波動(dòng)態(tài)WPT等。LCC拓?fù)溥_(dá)到了8kW，距離150mm，效率超過(guò)96%�；�于IPT原理的動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)的輸出功率紋波小于5%。CPT系統(tǒng)在150mm的距離內(nèi)達(dá)到2.5kW的功率水平，效率超過(guò)92%。IPT和CPT的結(jié)合使系統(tǒng)效率進(jìn)一步提高到了96%。
WPT是目前正在被積極研究和廣泛商業(yè)化的熱門(mén)課題之一。尤其是在移動(dòng)電話充電器和固定式電動(dòng)汽車(chē)充電器中，WPT在迅速成長(zhǎng)，而RPEV近也引起了全世界的關(guān)注。人們普遍預(yù)計(jì)，WPT產(chǎn)業(yè)將在未來(lái)幾十年持續(xù)增長(zhǎng)。
不幸的是，從基礎(chǔ)理論到工業(yè)應(yīng)用，沒(méi)有多少關(guān)于WPT的書(shū)籍能全面地解釋這一課題。其中一個(gè)原因是WPT技術(shù)的快速發(fā)展。盡管作者的專(zhuān)業(yè)知識(shí)不能覆蓋WPT的所有領(lǐng)域，但他們終決定在2016年寫(xiě)一本關(guān)于WPT的書(shū)籍，作為KAIST無(wú)線電力電子兩年一次的講座的教科書(shū)。Rim博士是這本書(shū)的主要作者，Chris Mi博士撰寫(xiě)了本書(shū)中的一章，同時(shí)審閱和編輯了整本書(shū)。
考慮到WPT的快速發(fā)展，本書(shū)將在幾年內(nèi)進(jìn)行修訂，但我們希望本書(shū)的第1版將提供富有成效的的技術(shù)見(jiàn)解，并有強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。本書(shū)可作為研究生或高年級(jí)本科生的教科書(shū)，也可作為工業(yè)工程師的設(shè)計(jì)與分析指導(dǎo)書(shū)。
作者希望這本書(shū)的讀者了解到工程需要的哲學(xué)思想和基本理論。創(chuàng)新的理念和百年不變的發(fā)明來(lái)自對(duì)設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)的深刻理解。尤其是，工程師不應(yīng)該過(guò)多地積累經(jīng)驗(yàn)，也不應(yīng)該低估理論。實(shí)際上，當(dāng)涉及金屬或磁心時(shí)，人們對(duì)WPT的磁場(chǎng)和電場(chǎng)估計(jì)還沒(méi)有足夠的理論基礎(chǔ)。
本書(shū)部分簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)電源、無(wú)線電源和電動(dòng)汽車(chē)的概念。
第二部分闡述了IPT的耦合線圈模型、回轉(zhuǎn)器電路模型、磁鏡模型和通用統(tǒng)一動(dòng)態(tài)相量等理論，后三種理論由Rim博士提出。這一部分對(duì)WPT初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能有些困難，讀者可以跳過(guò)，直到強(qiáng)烈需要理論背景支持的時(shí)候再仔細(xì)研讀。
在第三部分中，RPEV的IPT內(nèi)容被廣泛覆蓋，使這一部分成為本書(shū)重要的章節(jié)。從RPEV的歷史到OLEV-IPT，對(duì)I型和S型的技術(shù)以及具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題，如控制器、補(bǔ)償電路、電磁場(chǎng)抵消、大容差設(shè)計(jì)和供電導(dǎo)軌分段等進(jìn)行了廣泛的闡述。第8章動(dòng)態(tài)充電簡(jiǎn)介主要由KAIST前總裁Nam P.Suh撰寫(xiě)。
第四部分解釋了電動(dòng)汽車(chē)靜態(tài)充電的IPT，大偏移量和電容充電問(wèn)題及其解決的內(nèi)容由Chris Mi撰寫(xiě)。該部分還介紹了一種可用于動(dòng)態(tài)充電的異物檢測(cè)技術(shù)�？紤]到電動(dòng)汽車(chē)充電的文獻(xiàn)較多，由于本書(shū)的重點(diǎn)是移動(dòng)電能的傳輸，因此本部分與動(dòng)態(tài)充電的處理相比篇幅相對(duì)較小，但該部分列出的大量參考文獻(xiàn)為對(duì)靜態(tài)電充電感興趣的讀者提供了未涉及的更多細(xì)節(jié)。然而，靜態(tài)充電的許多設(shè)計(jì)問(wèn)題與動(dòng)態(tài)充電的設(shè)計(jì)問(wèn)題相似，因此本書(shū)第三部分的設(shè)計(jì)原則和問(wèn)題可適用于該部分。請(qǐng)注意，反過(guò)來(lái)是不正確的，因?yàn)殪o態(tài)充電是動(dòng)態(tài)充電的一種特殊形式，而動(dòng)態(tài)充電不僅僅是靜態(tài)充電的延伸。
在第五部分中，從耦合磁共振系統(tǒng)的回顧開(kāi)始，介紹了IPT手機(jī)和機(jī)器人的移動(dòng)應(yīng)用，闡述了中遠(yuǎn)程IPT和偶極子線圈自由空間全向IPT，并討論了機(jī)器人二維全向IPT。
第六部分闡述了無(wú)線核儀器和SMF等WPT的特殊應(yīng)用，并展望了WPT的發(fā)展前景。
全書(shū)每章都包含一些問(wèn)題和習(xí)題，這些問(wèn)題和習(xí)題可能成為潛在的研究主題。
在不久的將來(lái)，包括人類(lèi)在內(nèi)的幾乎所有有價(jià)值的物體都將連接到全球網(wǎng)絡(luò)，這就是為什么物聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)輸、物流、證券、公共服務(wù)、家用電器、工廠自動(dòng)化、軍事、醫(yī)療保健、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和許多其他領(lǐng)域引起如此多的關(guān)注的原因。由于物聯(lián)網(wǎng)包括傳感器、通信設(shè)備和電源，因此WPT將在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用�？紤]到傳感器和通信技術(shù)相對(duì)成熟，可以說(shuō):
無(wú)線電能對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)至關(guān)重要。
由于這是本書(shū)的第1版，作者歡迎讀者提出任何意見(jiàn)和評(píng)論，并將確保在未來(lái)版本中納入任何必要的修改或修訂。
作者們感謝所有幫助完成這本書(shū)的人。特別是，所呈現(xiàn)的大部分材料是作者及其研究小組其他成員多年工作的結(jié)果。感謝許多敬業(yè)的工作人員和研究生，他們?yōu)檫@本書(shū)做出了巨大的貢獻(xiàn)并提供了支持材料。
作者們也要感謝其家人們，在寫(xiě)這本書(shū)的過(guò)程中他們給予了極大的支持和犧牲。
誠(chéng)懇地感謝允許在本書(shū)中使用某些材料或圖片等資源的機(jī)構(gòu)和個(gè)人。雖然作者已盡努力獲得允許使用公共領(lǐng)域和開(kāi)放互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站上的材料，但如果遺漏了這些信息來(lái)源，作者們會(huì)為這種疏忽道歉，如果引起出版商的注意，也會(huì)在本書(shū)未來(lái)的版本中糾正這一點(diǎn)。本書(shū)中提及的任何產(chǎn)品或供應(yīng)商的名稱(chēng)僅供參考，不得以任何方式解釋為出版商或作者對(duì)此類(lèi)產(chǎn)品或供應(yīng)商的認(rèn)可（或不認(rèn)可）。
后，作者非常感謝John Wiley & Sons有限公司及其編輯人員給予出版這本書(shū)的機(jī)會(huì)，并以各種可能的方式提供幫助，還要感謝KAIST的Ji H.Kim先生，他為這本書(shū)手稿的編寫(xiě)和整理提供了幫助。
Chun T.Rim
Chris Mi
2017年1月1日