1. 课程导入
无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）是指在不通过金属导体直接接触的条件下，利用电场、磁场、电磁波或激光等物理媒介，将电能从电源侧传递到负载侧的技术。它的核心价值在于摆脱插拔与线缆约束，在安全、便捷、密封、免维护等维度上重构供电方式。对工程人员而言，WPT 不是单一器件，而是一套由功率变换、耦合机构、补偿网络、控制与保护共同构成的系统。
一句话理解：WPT 把“导线里的电流”转化为“空间中的场”，再在接收端把场还原为电能。设计的关键，是让能量高效、稳定、安全地穿过这段“看不见的通道”。
1.1 核心原理：从“场”到“电”的能量通道
无论哪种 WPT 形式，其能量链路都可以抽象为四段：电源变换 → 发射耦合 → 空间传输 → 接收还原。以最常见的磁耦合谐振式为例，发射端逆变器把直流电变为高频交流，激励发射线圈产生交变磁场；接收线圈感应出高频电压，经补偿网络与整流滤波后供给负载。系统效率由线圈耦合系数 k、品质因数 Q、工作频率 f 与负载匹配共同决定。
工程上常用以下关系快速估算谐振频率与补偿参数：
谐振频率：f0 = 1 / (2π√(L·C))
耦合系数：k = M / √(L1·L2)
传输效率近似：η ∝ k²·Q1·Q2 / (1 + √(1 + k²·Q1·Q2))²
典型参数：f0 = 85 kHz（电动汽车），L1 = 60 μH，C1 ≈ 58.5 nF需要强调的是，WPT 的效率并非随距离线性下降，而是在谐振条件下出现明显峰值。因此频率跟踪、阻抗匹配与线圈对准是三大工程抓手。
1.2 发展历程：从特斯拉到标准商用
WPT 并非新概念。1890 年代，特斯拉就提出无线输电构想，但受限于器件与理论，长期停留在实验阶段。2007 年 MIT 团队用磁耦合谐振实现约 2 米距离点亮灯泡，重新点燃了研究热潮。2010 年后，Qi、AirFuel 等标准推动消费电子无线充电普及；2016 年后，电动汽车无线充电进入大功率商用验证阶段。今天，WPT 正从“能传”走向“高效、安全、智能、互操作”。
1.3 分类与应用场景
按传输媒介，WPT 可分为磁感应式、磁谐振式、微波/射频式、激光/超声式。不同形式在距离、功率、效率与成本上差异显著，选型时必须先明确场景约束。
| 类型 | 典型距离 | 功率范围 | 效率 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 磁感应式 | 毫米~厘米 | 1 W~50 W | 70%~90% | 手机、耳机、电动牙刷 |
| 磁谐振式 | 厘米~米 | 10 W~200 kW | 80%~95% | 电动汽车、AGV、机器人 |
| 微波/射频式 | 米~千米 | mW~W | 10%~50% | 传感器、无人机、物联网 |
| 激光/超声式 | 米~百米 | W~kW | 20%~60% | 航天、植入医疗、特殊工业 |
1.4 课程整体框架与学习路径
本课程共 30 章，围绕“原理—建模—设计—验证—应用”主线展开。前段建立电磁场、谐振与补偿网络基础；中段进入线圈设计、逆变与整流、控制与通信；后段覆盖效率优化、电磁兼容、安全标准与典型场景落地。学习时建议每章都完成一个可量化的小目标，例如“能算出给定线圈的谐振电容”或“能解释效率下降的三个原因”。
学习建议：先抓能量链路，再抓参数关系，最后抓工程约束。遇到公式先问“它约束了哪个物理量”，遇到方案先问“它牺牲了什么换取了什么”。
常见误区：把 WPT 等同于“无线充电器”；只关注线圈而忽略补偿网络；认为频率越高越好；忽略对准偏移与负载变化对效率的影响。这些都会导致设计在实验室可用、在现场失效。
从工程视角看，WPT 的难点不在“能不能传”，而在“在距离、偏移、负载、温度与安全约束下，能否稳定高效地传”。这正是本课程要逐步建立的能力：用模型预测行为，用参数指导设计，用测试验证边界。