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

目前，無線電能傳輸的形式主要包含磁場耦合式、電場耦合、微波、激光、超聲波等。磁場耦合式無線電能傳輸系統的結構如圖1所示，包括整流模塊、逆變電路、一次側補償網絡、發射線圈、接收線圈、二次側補償網絡、整流電路和負載等部分。

圖1 無線電能傳輸系統

耦合機構作為磁場耦合式無線電能傳輸系統的關鍵組成部分，其優化設計對系統的傳輸效率、傳輸距離、功率及抗偏移能力有直接影響，國內外專家和學者對于耦合機構展開了諸多研究。為了梳理磁場耦合式無線電能傳輸系統近幾年的研究成果并為研究者提供進一步研究和設計的參考，天津工業大學的科研團隊針對耦合機構，從傳輸線圈、補償網絡和電磁屏蔽結構三個方面簡要綜述了無線電能傳輸系統中耦合機構的研究現狀及發展，總結了當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做了研究，但仍有不少問題尚未解決，主要表現在以下幾個方面：

1）大功率高效率耦合機構設計

隨著電動巴士等大功率無線充電技術的發展，尤其是高鐵列車的發展，人們對無線充電的功率提出了更高的要求，目前的技術水平尚未滿足其需求，因此有必要設計大功率耦合機構。隨之帶來的發熱、傳輸功率和效率下降、穩定性降低及結構復雜等一系列問題需要學者進一步研究。

電動汽車無線充電技術作為當下研究的熱門話題，其耦合機構還有很多問題亟需解決：適應快充（快速充電模式下電流可達上百安培）的大功率耦合機構設計，以及其高效率、小體積、輕量化優化問題；輸出功率穩定性低問題；耦合機構的互操作性；標準問題及經濟成本問題等。電動汽車作為智能消費終端，需要與智能電網之間達到充放電平衡，提高電能利用率，智能電網能夠推動其大規模生產應用，提高清潔能源消費比重，凈化城市環境，最終促進智能電網與新能源的發展。

2）高功率密度耦合機構設計

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

3）動態無線電能傳輸專用耦合機構設計

目前靜態無線電能充電技術相對來說比較成熟，然而存在充電頻繁、續航里程短等問題，于是動態無線充電技術逐漸出現，如由固定式向運動式、定點式向在線式發展，但是耦合系數波動容易造成傳輸功率波動，降低系統穩定性，所以將來需要設計專用的耦合機構適應動態無線充電的需求，如利用多線圈模式及設計不同結構的線圈結構進行改善，提高耦合機構間的耦合系數，或設計復合補償網絡削弱耦合系數變化對傳輸功率的影響。

4）多負載專用耦合機構設計

隨著應用場景的增多，大家對技術的需求越來越高，在很多場合下，需要鋪設大面積充電平臺為多負載供電，由此帶來發熱、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計發射線圈結構，有效提高空間磁能的利用率，提高耦合系數，從而提高效率。

5）新材料在耦合機構中的應用

需要高品質因數的線圈去提高耦合機構的性能。在線圈材料方面，將來可以進一步研究高品質因數、低阻抗、散熱好的材料；在屏蔽結構方面，需要高磁導率低磁損耗、低電阻率、質量輕、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的本構參數進而優化場地分布，其具有提高磁通密度；提高無線電能傳輸線圈間耦合程度，提高系統輸出功率、傳輸距離和傳輸效率；改善不對準工況下傳輸性能等優點，在未來耦合機構設計中占有一席之地。

6）提高抗偏移抗振動能力的耦合機構

目前，無論靜態充電還是動態充電，均需要提高耦合機構的抗偏移能力；另外，針對動態充電，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。將來研究人員可以考慮提出新的線圈結構或新的補償網絡結構。近些年，有學者提出一種宇稱-時間對稱原理，將該技術應用到無線電能傳輸，能在一定程度上實現恒定的輸出功率和傳輸效率，且不受耦合系數的影響；而且基于分數階電路的無線電能傳輸技術也顯示出很多優點，這些技術有望進一步提高抗偏移能力。

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

本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“磁場耦合式無線電能傳輸耦合機構綜述”，作者為李陽、石少博 等。