天津工业大学科研团队发表磁场耦合式无线电能传输系统耦合机构的研究综述

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

阅读提示：本文约 2300 字

近些年，越来越多的电气科技工作者关注无线电能传输技术的研究，其应用领域也逐渐扩大。耦合机构作为无线电能传输系统的重要组成部分，其优化设计对系统的传输效率、传输距离、功率及抗偏移能力有直接的影响。天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的科研人员李阳、石少博、刘雪莉、马靖男、黄悦蓬、徐睿，在2021年《电工技术学报》增刊2上撰文，针对磁场耦合式耦合机构的设计，该文从传输线圈、补偿网络和电磁屏蔽结构三个方面对当前的研究现状和热点问题进行简要综述，分析讨论当前亟待解决的问题及今后的发展趋势，为其他研究人员提供有益的参考。

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）作为一种非接触电能传输（Contactless Power Transfer, CPT）技术，摆脱了传统有形介质的束缚，仅通过空间无形软介质，即可将电能从电源端传递至用电设备端。该技术与智能电网均为传统型向智能型的过渡，被列为“10项引领未来的科学技术”之一。

目前，无线电能传输的形式主要包含磁场耦合式、电场耦合、微波、激光、超声波等。磁场耦合式无线电能传输系统的结构如图1所示，包括整流模块、逆变电路、一次侧补偿网络、发射线圈、接收线圈、二次侧补偿网络、整流电路和负载等部分。

图1 无线电能传输系统

耦合机构作为磁场耦合式无线电能传输系统的关键组成部分，其优化设计对系统的传输效率、传输距离、功率及抗偏移能力有直接影响，国内外专家和学者对于耦合机构展开了诸多研究。为了梳理磁场耦合式无线电能传输系统近几年的研究成果并为研究者提供进一步研究和设计的参考，天津工业大学的科研团队针对耦合机构，从传输线圈、补偿网络和电磁屏蔽结构三个方面简要综述了无线电能传输系统中耦合机构的研究现状及发展，总结了当前的主要研究热点及最新进展。

他们认为目前很多研究人员虽然对耦合机构做了研究，但仍有不少问题尚未解决，主要表现在以下几个方面：

1）大功率高效率耦合机构设计

随着电动巴士等大功率无线充电技术的发展，尤其是高铁列车的发展，人们对无线充电的功率提出了更高的要求，目前的技术水平尚未满足其需求，因此有必要设计大功率耦合机构。随之带来的发热、传输功率和效率下降、稳定性降低及结构复杂等一系列问题需要学者进一步研究。

电动汽车无线充电技术作为当下研究的热门话题，其耦合机构还有很多问题亟需解决：适应快充（快速充电模式下电流可达上百安培）的大功率耦合机构设计，以及其高效率、小体积、轻量化优化问题；输出功率稳定性低问题；耦合机构的互操作性；标准问题及经济成本问题等。电动汽车作为智能消费终端，需要与智能电网之间达到充放电平衡，提高电能利用率，智能电网能够推动其大规模生产应用，提高清洁能源消费比重，净化城市环境，最终促进智能电网与新能源的发展。

2）高功率密度耦合机构设计

目前，随着功率提高，耦合机构的体积与质量也在增大，限制了其在特定领域的应用，如何解决功率效率与体积质量之间的矛盾成为未来的研究方向。因此，将来有必要设计高功率密度的耦合机构，解决体积过大的问题。将来研究人员可以从磁心形状、线圈结构设计、补偿结构设计等方面进行改善。

3）动态无线电能传输专用耦合机构设计

目前静态无线电能充电技术相对来说比较成熟，然而存在充电频繁、续航里程短等问题，于是动态无线充电技术逐渐出现，如由固定式向运动式、定点式向在线式发展，但是耦合系数波动容易造成传输功率波动，降低系统稳定性，所以将来需要设计专用的耦合机构适应动态无线充电的需求，如利用多线圈模式及设计不同结构的线圈结构进行改善，提高耦合机构间的耦合系数，或设计复合补偿网络削弱耦合系数变化对传输功率的影响。

4）多负载专用耦合机构设计

随着应用场景的增多，大家对技术的需求越来越高，在很多场合下，需要铺设大面积充电平台为多负载供电，由此带来发热、磁场分布不均匀、磁场的相互耦合及效率下降等一系列问题。将来可以采用多绕组线圈的方式设计发射线圈结构，有效提高空间磁能的利用率，提高耦合系数，从而提高效率。

5）新材料在耦合机构中的应用

需要高品质因数的线圈去提高耦合机构的性能。在线圈材料方面，将来可以进一步研究高品质因数、低阻抗、散热好的材料；在屏蔽结构方面，需要高磁导率低磁损耗、低电阻率、质量轻、强度高耐磨损的材料，如新兴的非晶、纳米晶材料等。超材料通过控制其介质的本构参数进而优化场的分布，其具有提高磁通密度；提高无线电能传输线圈间耦合程度，提高系统输出功率、传输距离和传输效率；改善不对准工况下传输性能等优点，在未来耦合机构设计中占有一席之地。

6）提高抗偏移抗振动能力的耦合机构

目前，无论静态充电还是动态充电，均需要提高耦合机构的抗偏移能力；另外，针对动态充电，还需要解决抗振动问题，因此有必要研究提高抗偏移抗振动能力的耦合机构。将来研究人员可以考虑提出新的线圈结构或新的补偿网络结构。近些年，有学者提出一种宇称-时间对称原理，将该技术应用到无线电能传输，能在一定程度上实现恒定的输出功率和传输效率，且不受耦合系数的影响；而且基于分数阶电路的无线电能传输技术也显示出很多优点，这些技术有望进一步提高抗偏移能力。

他们最后指出，今后研究人员可设计大功率高效率、高功率密度的耦合机构，动态无线电能传输、多负载专用耦合机构，用纳米晶带材为线圈做屏蔽材料以满足轻量化需求，提出新的补偿网络结构改善系统的抗偏移能力等。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“磁场耦合式无线电能传输耦合机构综述”，作者为李阳、石少博 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817

广告合作：010-63256867/6838