無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）是一種安全、可靠和靈活的供電新技術(shù)，在電子植入式醫(yī)療設(shè)備、便攜式移動(dòng)電子產(chǎn)品及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用前景，因此受到了越來越多的關(guān)注。隨著研究的不斷深入，人們認(rèn)識(shí)到提高線圈間的互感是保持WPT系統(tǒng)高效率運(yùn)行的重要舉措。然而，由于接收線圈位置的不確定性，現(xiàn)實(shí)中發(fā)射線圈與接收線圈之間會(huì)不可避免地存在線圈偏移問題，引起線圈間的互感降低，造成WPT系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性顯著下降。因此，線圈偏移問題是推動(dòng)WPT技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。

為提高WPT系統(tǒng)對(duì)線圈偏移的忍受度，許多學(xué)者從線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行了深入的研究。新西蘭奧克蘭大學(xué)的John T. Boys教授提出了雙極性矩形平面線圈（Double D）和在E型鐵心上多層疊繞的線圈結(jié)構(gòu)，可在一定程度上改善線圈偏移下系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性。

近年來，多發(fā)射線圈、發(fā)射線圈陣列結(jié)構(gòu)、多接收線圈等耦合機(jī)構(gòu)相繼被提出。在多發(fā)射線圈方面，提出圓形和六邊形切換式線圈結(jié)構(gòu)、多維旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)、正四面體結(jié)構(gòu)，從位置區(qū)域和空間維度上初步解決了線圈位置隨機(jī)性的問題。

在多接收線圈方面，Chow J P W等提出了一種接收線圈正交放置的線圈結(jié)構(gòu)，可在局部空間提高線圈偏移下發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射線圈位置大多是固定的，其控制自由度較小；多線圈結(jié)構(gòu)有望成為解決線圈偏移問題的有效手段，但同時(shí)也增加了其耦合特性分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

針對(duì)電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電領(lǐng)域，考慮到人為操作的隨機(jī)性，即使停車場(chǎng)每個(gè)車位都配備限位器，但接收線圈難以對(duì)準(zhǔn)發(fā)射線圈，會(huì)不可避免地出現(xiàn)橫向偏移問題。此外，從無縫拼接和成本效益而言，六邊形線圈結(jié)構(gòu)更適用于電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電。為此，本文提出一種多六邊形線圈的切換式耦合機(jī)構(gòu)，擬借此解決在停車場(chǎng)中電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電時(shí)出現(xiàn)的線圈橫向偏移問題。

本文針對(duì)多發(fā)射切換式耦合機(jī)構(gòu)的耦合特性進(jìn)行了機(jī)理分析，優(yōu)化了文獻(xiàn)[14]中的線圈結(jié)構(gòu)，根據(jù)等面積原則將接收端線圈由組合六邊形結(jié)構(gòu)改為圓形結(jié)構(gòu)，提高了線圈間的耦合系數(shù)；構(gòu)建了發(fā)射端為多六邊形線圈和接收端為圓形線圈的耦合機(jī)構(gòu)在軸對(duì)稱及橫向偏移工況下的互感計(jì)算方法；運(yùn)用有限元方法定量分析了耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)隨線圈橫向偏移的演化規(guī)律及其發(fā)射線圈的切換準(zhǔn)則；推導(dǎo)了線圈切換后實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行的最優(yōu)負(fù)載匹配條件。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論及仿真分析結(jié)果。

研究結(jié)果表明，多發(fā)射切換式耦合機(jī)構(gòu)能有效地提升WPT系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性，所構(gòu)建的互感計(jì)算方法為今后優(yōu)化線圈參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

結(jié)論

本文針對(duì)線圈偏移將造成WPT系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性顯著下降的問題，提出了一種多發(fā)射切換式的耦合機(jī)構(gòu)，以提高系統(tǒng)對(duì)線圈橫向偏移的忍受度。分別討論了該耦合機(jī)構(gòu)在軸對(duì)稱和橫向偏移情況下互感的計(jì)算方法，基于有限元對(duì)比分析了多發(fā)射切換式耦合機(jī)構(gòu)在不同線圈偏移情況下的耦合特性，并給出了系統(tǒng)切換前后因耦合系數(shù)變化其最優(yōu)負(fù)載的匹配條件，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的耦合機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化方法的有效性，使系統(tǒng)在一定橫向偏移下也能維持較高的傳輸效率。

該多線圈結(jié)構(gòu)不僅適用于停車場(chǎng)電動(dòng)汽車靜態(tài)充電，同時(shí)也適用于公共場(chǎng)所為手機(jī)等電子產(chǎn)品提供無線充電。基于本文研究所確定的發(fā)射線圈切換準(zhǔn)則和開關(guān)切換對(duì)系統(tǒng)性能的影響，后續(xù)將進(jìn)一步開展多發(fā)射切換式無線電能傳輸系統(tǒng)的切換控制算法和性能優(yōu)化方面的研究。