2. 无线电能传输基础
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）并不是“把电变成无线电波再收回来”这么简单。不同技术路线在物理机制、工作频率、传输距离、功率等级和效率特性上差异巨大。理解这些差异，是后续判断“异物检测该检测什么、保护该保护什么”的前提。本节从三条主流技术路线出发，梳理其传输原理、系统组成与关键性能指标，并给出异物检测视角下的关注重点。
一、三条主流传输原理
电磁感应式（Inductive WPT）基于法拉第电磁感应定律：发射线圈通入高频交流电产生交变磁场，接收线圈处于该磁场中感应出电动势，从而实现能量传递。其本质是松耦合变压器，耦合系数 k 通常在 0.1～0.5 之间。特点是近距离（几毫米到十几厘米）、大功率（从瓦级到数十千瓦）、效率高（80%～95%），但传输距离对效率极其敏感，线圈一旦偏移，耦合系数迅速下降。手机无线充电（Qi）、电动汽车静态无线充电多采用此路线。
磁共振式（Magnetic Resonant WPT）在感应式基础上引入谐振补偿：发射端与接收端均接入电容构成 LC 谐振回路，当两侧谐振频率一致时，系统在强耦合与弱耦合之间形成共振能量通道。其优势是传输距离可扩展到线圈直径的 1～3 倍，且对水平偏移容忍度更好。代价是需要精确的频率跟踪与阻抗匹配，一旦失谐，效率急剧下降。中距离电动汽车充电、医疗植入设备供电常采用此路线。
微波/射频式（Microwave/RF WPT）将直流电经磁控管或固态放大器转换为微波，通过发射天线辐射，接收天线（整流天线 rectenna）捕获后整流为直流。其特点是传输距离远（米级到千米级）、可定向波束，但效率随距离平方衰减，且存在电磁辐射安全问题。适用于低功耗传感器供电、空间太阳能电站等场景。
二、系统组成：从发射到接收的完整链路
无论哪条路线，一个完整的 WPT 系统通常包含以下环节：
- 电源与功率变换：工频交流经整流、滤波变为直流，再由高频逆变器转换为所需频率的交流。
- 发射端谐振网络：由发射线圈与补偿电容组成，负责将电能转换为磁场或电磁波。
- 耦合通道：磁场、谐振能量通道或自由空间，是能量传递的物理媒介，也是异物侵入的主要区域。
- 接收端谐振网络：接收线圈与补偿电容，将磁场或电磁波还原为交流电。
- 整流与稳压：将高频交流整流为直流，经 DC-DC 变换后供给负载。
- 控制与保护单元：负责频率跟踪、阻抗匹配、异物检测、过温过流保护等。
在异物检测视角下，耦合通道和发射端谐振网络是最关键的监测对象。金属异物进入磁场会涡流发热，改变线圈等效阻抗；活体异物则可能吸收电磁能量造成灼伤。因此，检测手段往往围绕线圈参数变化、温度变化和电磁场扰动展开。
三、关键性能指标
评价一个 WPT 系统，不能只看“能不能充上电”，而要从效率、距离、功率、偏移容忍度、电磁兼容等多个维度综合衡量。下表列出核心指标及其对异物检测的影响。
| 指标 | 含义 | 典型范围 | 对异物检测的影响 |
|---|---|---|---|
| 传输效率 η | 负载接收功率 / 电源输入功率 | 感应式 80%~95%；磁共振 70%~90% | 异物引入损耗会拉低效率，可作为检测特征 |
| 传输距离 d | 发射线圈到接收线圈的垂直距离 | 感应式 mm~cm；磁共振 cm~m | 距离越远，磁场越弱，检测灵敏度要求越高 |
| 耦合系数 k | 反映线圈间磁耦合紧密程度 | 0.1 ~ 0.5（感应式） | 金属异物会改变 k，导致频率漂移 |
| 品质因数 Q | 谐振回路储能与耗能之比 | 几十到几百 | 异物降低 Q 值，可通过 Q 值监测检测异物 |
| 偏移容忍度 | 线圈水平错位时效率保持能力 | 感应式 ±10~30 mm；磁共振更大 | 偏移与异物都会改变阻抗，需区分二者 |
| 电磁兼容 EMC | 系统对外电磁干扰及抗扰度 | 需满足 CISPR、IEC 标准 | 检测信号不能干扰主功率传输 |
四、案例场景：电动汽车无线充电的异物挑战
以电动汽车静态无线充电为例，发射线圈埋于地面，接收线圈安装在车底，工作频率约 85 kHz，传输功率 3.3 kW～11 kW，气隙约 100～200 mm。实际使用中，停车位地面可能落入易拉罐、硬币、钥匙、宠物等异物。金属异物在 85 kHz 交变磁场中产生涡流，温度可在数分钟内升至 100℃以上，引燃周围可燃物；活体异物则可能因电磁暴露受到伤害。
该场景下，系统需要同时监测：线圈等效阻抗变化、谐振频率偏移、Q 值下降、局部温度异常。由于车辆偏移也会引起类似阻抗变化，检测算法必须结合多参数融合，避免“把正常偏移误判为异物”或“把异物误判为偏移”。