無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer, WPT）作為一種非接觸電能傳輸（Contactless Power Transfer, CPT）技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)有形介質(zhì)的束縛，僅通過空間無形軟介質(zhì)，即可將電能從電源端傳遞至用電設(shè)備端。該技術(shù)與智能電網(wǎng)均為傳統(tǒng)型向智能型的過渡，被列為“10項引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)”之一。

目前，無線電能傳輸?shù)男问街饕艌鲴詈鲜健㈦妶鲴詈稀⑽⒉ā⒓す狻⒊暡ǖ取４艌鲴詈鲜綗o線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括整流模塊、逆變電路、一次側(cè)補償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈、接收線圈、二次側(cè)補償網(wǎng)絡(luò)、整流電路和負載等部分。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)

耦合機構(gòu)作為磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其優(yōu)化設(shè)計對系統(tǒng)的傳輸效率、傳輸距離、功率及抗偏移能力有直接影響，國內(nèi)外專家和學(xué)者對于耦合機構(gòu)展開了諸多研究。為了梳理磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)近幾年的研究成果并為研究者提供進一步研究和設(shè)計的參考，天津工業(yè)大學(xué)的科研團隊針對耦合機構(gòu)，從傳輸線圈、補償網(wǎng)絡(luò)和電磁屏蔽結(jié)構(gòu)三個方面簡要綜述了無線電能傳輸系統(tǒng)中耦合機構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展，總結(jié)了當(dāng)前的主要研究熱點及最新進展。

他們認為目前很多研究人員雖然對耦合機構(gòu)做了研究，但仍有不少問題尚未解決，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）大功率高效率耦合機構(gòu)設(shè)計

隨著電動巴士等大功率無線充電技術(shù)的發(fā)展，尤其是高鐵列車的發(fā)展，人們對無線充電的功率提出了更高的要求，目前的技術(shù)水平尚未滿足其需求，因此有必要設(shè)計大功率耦合機構(gòu)。隨之帶來的發(fā)熱、傳輸功率和效率下降、穩(wěn)定性降低及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列問題需要學(xué)者進一步研究。

電動汽車無線充電技術(shù)作為當(dāng)下研究的熱門話題，其耦合機構(gòu)還有很多問題亟需解決：適應(yīng)快充（快速充電模式下電流可達上百安培）的大功率耦合機構(gòu)設(shè)計，以及其高效率、小體積、輕量化優(yōu)化問題；輸出功率穩(wěn)定性低問題；耦合機構(gòu)的互操作性；標(biāo)準(zhǔn)問題及經(jīng)濟成本問題等。電動汽車作為智能消費終端，需要與智能電網(wǎng)之間達到充放電平衡，提高電能利用率，智能電網(wǎng)能夠推動其大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，提高清潔能源消費比重，凈化城市環(huán)境，最終促進智能電網(wǎng)與新能源的發(fā)展。

2）高功率密度耦合機構(gòu)設(shè)計

目前，隨著功率提高，耦合機構(gòu)的體積與質(zhì)量也在增大，限制了其在特定領(lǐng)域的應(yīng)用，如何解決功率效率與體積質(zhì)量之間的矛盾成為未來的研究方向。因此，將來有必要設(shè)計高功率密度的耦合機構(gòu)，解決體積過大的問題。將來研究人員可以從磁心形狀、線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計、補償結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行改善。

3）動態(tài)無線電能傳輸專用耦合機構(gòu)設(shè)計

目前靜態(tài)無線電能充電技術(shù)相對來說比較成熟，然而存在充電頻繁、續(xù)航里程短等問題，于是動態(tài)無線充電技術(shù)逐漸出現(xiàn)，如由固定式向運動式、定點式向在線式發(fā)展，但是耦合系數(shù)波動容易造成傳輸功率波動，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以將來需要設(shè)計專用的耦合機構(gòu)適應(yīng)動態(tài)無線充電的需求，如利用多線圈模式及設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的線圈結(jié)構(gòu)進行改善，提高耦合機構(gòu)間的耦合系數(shù)，或設(shè)計復(fù)合補償網(wǎng)絡(luò)削弱耦合系數(shù)變化對傳輸功率的影響。

4）多負載專用耦合機構(gòu)設(shè)計

隨著應(yīng)用場景的增多，大家對技術(shù)的需求越來越高，在很多場合下，需要鋪設(shè)大面積充電平臺為多負載供電，由此帶來發(fā)熱、磁場分布不均勻、磁場的相互耦合及效率下降等一系列問題。將來可以采用多繞組線圈的方式設(shè)計發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，有效提高空間磁能的利用率，提高耦合系數(shù)，從而提高效率。

5）新材料在耦合機構(gòu)中的應(yīng)用

需要高品質(zhì)因數(shù)的線圈去提高耦合機構(gòu)的性能。在線圈材料方面，將來可以進一步研究高品質(zhì)因數(shù)、低阻抗、散熱好的材料；在屏蔽結(jié)構(gòu)方面，需要高磁導(dǎo)率低磁損耗、低電阻率、質(zhì)量輕、強度高耐磨損的材料，如新興的非晶、納米晶材料等。超材料通過控制其介質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)進而優(yōu)化場地分布，其具有提高磁通密度；提高無線電能傳輸線圈間耦合程度，提高系統(tǒng)輸出功率、傳輸距離和傳輸效率；改善不對準(zhǔn)工況下傳輸性能等優(yōu)點，在未來耦合機構(gòu)設(shè)計中占有一席之地。

6）提高抗偏移抗振動能力的耦合機構(gòu)

目前，無論靜態(tài)充電還是動態(tài)充電，均需要提高耦合機構(gòu)的抗偏移能力；另外，針對動態(tài)充電，還需要解決抗振動問題，因此有必要研究提高抗偏移抗振動能力的耦合機構(gòu)。將來研究人員可以考慮提出新的線圈結(jié)構(gòu)或新的補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。近些年，有學(xué)者提出一種宇稱-時間對稱原理，將該技術(shù)應(yīng)用到無線電能傳輸，能在一定程度上實現(xiàn)恒定的輸出功率和傳輸效率，且不受耦合系數(shù)的影響；而且基于分數(shù)階電路的無線電能傳輸技術(shù)也顯示出很多優(yōu)點，這些技術(shù)有望進一步提高抗偏移能力。

他們最后指出，今后研究人員可設(shè)計大功率高效率、高功率密度的耦合機構(gòu)，動態(tài)無線電能傳輸、多負載專用耦合機構(gòu)，用納米晶帶材為線圈做屏蔽材料以滿足輕量化需求，提出新的補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改善系統(tǒng)的抗偏移能力等。

本文編自2021年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2，論文標(biāo)題為“磁場耦合式無線電能傳輸耦合機構(gòu)綜述”，作者為李陽、石少博 等。