学术简报｜如何解决无线电能传输系统的线圈偏移问题？

摘要

湘潭大学信息工程学院、智能计算与信息处理教育部重点实验室的研究人员谭平安、刘春霞等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“多发射切换式无线电能传输系统耦合特性机理分析”）指出，线圈偏移问题会降低线圈间的互感，同时还引起系统最优负载的动态变化，造成无线电能传输系统的传输效率显著下降。为此，提出一种发射端为多六边形线圈和接收端为圆形线圈的多发射切换式耦合机构，以提高系统对线圈横向偏移的容忍度。

首先分析多发射切换式耦合机构的线圈结构及其工作模态，构建该耦合机构在轴对称和横向偏移工况下的互感计算方法，定量分析耦合系数随横向偏移的演化规律，借此确定发射线圈的切换准则，并推导线圈切换后实现高效率运行的最优负载匹配条件。

实验结果表明，多发射切换式耦合机构能有效地解决无线电能传输系统的线圈偏移问题，可提升系统的传输效率和稳定性。

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）是一种安全、可靠和灵活的供电新技术，在电子植入式医疗设备、便携式移动电子产品及电动汽车等领域中具有很大的应用前景，因此受到了越来越多的关注。随着研究的不断深入，人们认识到提高线圈间的互感是保持WPT系统高效率运行的重要举措。

然而，由于接收线圈位置的不确定性，现实中发射线圈与接收线圈之间会不可避免地存在线圈偏移问题，引起线圈间的互感降低，造成WPT系统的传输效率和稳定性显著下降。因此，线圈偏移问题是推动WPT技术应用与发展亟待解决的关键问题。

为提高WPT系统对线圈偏移的忍受度，许多学者从线圈结构设计的角度进行了深入的研究。新西兰奥克兰大学的John T. Boys教授提出了双极性矩形平面线圈（Double D）和在E型铁心上多层叠绕的线圈结构，可在一定程度上改善线圈偏移下系统的传输效率和稳定性。

近年来，多发射线圈、发射线圈阵列结构、多接收线圈等耦合机构相继被提出。在多发射线圈方面，提出圆形和六边形切换式线圈结构、多维旋转式结构、正四面体结构，从位置区域和空间维度上初步解决了线圈位置随机性的问题。

在多接收线圈方面，Chow J P W等提出了一种接收线圈正交放置的线圈结构，可在局部空间提高线圈偏移下发射线圈与接收线圈之间的互感。现有研究结果表明，耦合机构的发射线圈位置大多是固定的，其控制自由度较小；多线圈结构有望成为解决线圈偏移问题的有效手段，但同时也增加了其耦合特性分析和参数优化设计的复杂性。

针对电动汽车静态无线充电领域，考虑到人为操作的随机性，即使停车场每个车位都配备限位器，但接收线圈难以对准发射线圈，会不可避免地出现横向偏移问题。此外，从无缝拼接和成本效益而言，六边形线圈结构更适用于电动汽车静态无线充电。

为此，本文提出一种多六边形线圈的切换式耦合机构，拟借此解决在停车场中电动汽车静态无线充电时出现的线圈横向偏移问题。

本文针对多发射切换式耦合机构的耦合特性进行了机理分析，优化了文献[14]中的线圈结构，根据等面积原则将接收端线圈由组合六边形结构改为圆形结构，提高了线圈间的耦合系数；构建了发射端为多六边形线圈和接收端为圆形线圈的耦合机构在轴对称及横向偏移工况下的互感计算方法；运用有限元方法定量分析了耦合机构的耦合系数随线圈横向偏移的演化规律及其发射线圈的切换准则；推导了线圈切换后实现高效率运行的最优负载匹配条件。最后通过实验验证了理论及仿真分析结果。

研究结果表明，多发射切换式耦合机构能有效地提升WPT系统的传输效率和稳定性，所构建的互感计算方法为今后优化线圈参数奠定了理论基础。

结论

本文针对线圈偏移将造成WPT系统的传输效率和稳定性显著下降的问题，提出了一种多发射切换式的耦合机构，以提高系统对线圈横向偏移的忍受度。分别讨论了该耦合机构在轴对称和横向偏移情况下互感的计算方法，基于有限元对比分析了多发射切换式耦合机构在不同线圈偏移情况下的耦合特性，并给出了系统切换前后因耦合系数变化其最优负载的匹配条件，最后通过实验验证了本文提出的耦合机构及其优化方法的有效性，使系统在一定横向偏移下也能维持较高的传输效率。

该多线圈结构不仅适用于停车场电动汽车静态充电，同时也适用于公共场所为手机等电子产品提供无线充电。基于本文研究所确定的发射线圈切换准则和开关切换对系统性能的影响，后续将进一步开展多发射切换式无线电能传输系统的切换控制算法和性能优化方面的研究。

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