学术简报︱无线电能传输的新方法，可满足轨道交通大功率供电需求

摘要

西南交通大学电气工程学院的研究人员胡杰、陈丽华、罗博、施瑞、麦瑞坤，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“基于全耦合电容模型的双发射电场耦合式无线电能传输系统”），传统基于电场耦合式的电容能量传输（CPT）系统只含单个逆变电源与单个发射端，由于CPT系统逆变器的容量有限，所以较难满足轨道交通大功率非接触供电应用的需求。

为了提高CPT系统的传输功率，提出一种双发射单接收CPT系统，通过两个逆变器并联的方式来提升系统输入功率总容量，实现CPT系统大功率输出。将六极板结构全耦合电容模型简化为三端口等效电路，采用Maxwell有限元分析方法仿真耦合电容值，针对两个发射机构间相互耦合的影响，给出系统谐振电路参数配置方法。

最后，详细分析了该系统的工作原理并搭建了系统工作频率为500kHz的原理样机，在输出功率为1.47kW的情况下，直流到直流的效率为90.6%。在传递相同功率的前提下，双发射CPT系统流过开关器件的电流为单发射系统的一半，实验结果表明该方法有效且可行。

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术是借助空间无形软介质（电场或磁场）将能量从发射端以无电气连接的形式传递至拾取端的全新电能传输技术，其应用使得用电设备避免金属触点拔插打火、磨损以及漏电等弊端，摆脱线缆的约束。在植入式医疗器械、电动汽车充电、LED灯饰和轨道交通等诸多重要应用中有着独特的优势以及广阔的前景。

常见的无线电能传输方式主要分为磁场耦合式（Inductive Power Transfer, IPT）和电场耦合式（Contactless Power Transfer,CPT）。IPT系统采用高频交变磁场传递能量，随着半导体功率开关及电力电子技术的发展，其应用最为广泛，目前国内外研究热点集中于磁场耦合方式。

但是在轨道交通等大功率非接触供电领域中，机车车体和轨道通常由钢材或铝合金材料构成，IPT系统对金属较敏感，会引起金属发热产生涡流损耗，使得传输效率下降。同时其耦合机构需要使用铁氧体材料和利兹线来绕制，增加了重量和成本。

而CPT系统以高频电场作为载能介质，仅用轻薄廉价的铝板或铜板作为耦合机构，在周围存在金属物体时，泄漏电场不会在其中引起涡流损耗，具有良好的传导性且耦合机构的成本较低、重量较轻。因此逐渐吸引了国内外研究团队对CPT技术展开研究。

• 过去基于CTP的无线电能传输研究多集中于小功率系统，大功率的研究和应用很少，直到2015年末圣地亚哥州立大学C. Mi教授针对电动汽车充电应用场合，通过优化传统LC串联补偿网络的方式，提出双边LCLC拓扑结构，实现传输距离为150 mm时传递2.4kW的能量，效率达90.8%。

• 有学者通过优化设计CPT系统单管ZVS变换器，在耦合电容为24nF的条件下，实现kW级的功率传输。

• 有学者为了节省空间，将耦合极板垂直排列，采用双边LCL拓扑补偿结构提高极板两端电压以实现大功率输出，在空气间隙为150 mm的情况下传递了1.88 kW的能量，效率达85.87%。

将CPT系统应用于轨道交通等大功率场合供电时，要求实现大功率电能的非接触传输。然而在实际应用中，由于逆变器及功率开关器件的容量有限，单个逆变器较难满足CPT系统大功率电能传输的要求，因此有必要在现有开关器件和逆变器水平条件下，研究增大逆变器总容量的方法来提升CPT系统的传输功率。

本文针对轨道交通大功率应用场合，提出一种双发射单接收CPT系统，通过将两个逆变器并联，降低功率开关管电流来提升系统输入功率，从而提高CPT系统的传输功率。此外，本文采用基波近似法（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）分析电路工作原理，考虑双发射机构间相互耦合的影响，合理地配置系统参数，使电路达到谐振状态。最后，本文搭建了1.47kW输出的双发射单接收CPT系统，与单发射单接收进行对比实验验证，表明该方法的有效性。

图1 双发射电场耦合式无线电能传输系统示意图

图8 双发射实验装置

结论

针对传统CPT系统单个逆变器传输的能量不能满足实际轨道交通大功率需求的问题，本文在六极板耦合电容结构简化为三端口电路模型的基础上，提出了一种双发射单接收CPT系统，通过提升逆变器输入功率总容量的方式，实现大功率输出。

采用有限元分析法在Maxwell中仿真得到极板耦合电容值，实验搭建了传输距离为22mm的双发射单接收与同发射面积、同传输距离的单发射单接收CPT系统，均实现了1.47kW大功率能量传输。

本文具有如下特点：

• 1）提出采用逆变器并联的方式来实现CPT系统功率提升。在相同逆变器、开关器件、补偿电感电容和端口电压的容量限制条件下，通过增加逆变器数量，使流过开关管的电流减半，从而提升系统输入功率，达到提升CPT系统传输功率的目的。

• 2）提出了一种双发射单接收耦合极板的等效电路模型，可将六极板结构15个耦合电容简化成三端口受控源模型。

• 3）考虑双发射机构间的相互耦合电容影响，给出系统谐振电路参数配置方法。

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