- 頭條湖南大學科研人員提出減小動態無線電能傳輸系統互感波動率的方法2022-05-15 作者：李中啟、李上游 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在磁耦合諧振式動態無線電能傳輸系統中，發射線圈與接收線圈之間的相對水平偏移距離將達到發射線圈邊長的一半，此時線圈間互感波動非常劇烈，導致系統無法正常工作。為此，湖南大學電氣與信息工程學院、湖南工業大學交通工通工程學院、湖南工業大學電氣與信息工程學院的研究人員李中啟、李上游、李晶、鄒瑤、黃守道，在2021年第24期《電工技術學報》上撰文，提出了一種多接收線圈正反串聯結構，結合提出的互感計算方法和互感優化方法，當發射線圈與接收線圈之間的水平偏移距離在發射線圈邊長一半范圍內變化時，保證了其線圈間互感基本恒定。
磁耦合諧振式動態無線電能傳輸技術（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）受到國內外學者廣泛關注，該技術可應用于自動導引車（Automatic Guided Vehicles, AGV）和電動汽車（Electric Vehicles, EV）的供電系統。它的主要優點是可以消除AGV或EV對電池的依賴，因為AGV或EV使用DWPT系統時，可以在行駛時充電。然而在DWPT系統中，發送線圈和接收線圈沿運動方向不可避免地會產生水平偏移，從而導致其互感變化。
值得注意的是，在DWPT系統中，沿運動方向的水平偏移可能會至少達到傳輸線圈邊長（或外徑）的一半。在此極限偏移下，互感的變化非常劇烈，嚴重影響DWPT系統的穩定性。目前主要有兩種方法來解決線圈偏移對無線電能傳輸系統穩定性的影響，即阻抗匹配方法和新線圈結構的設計與優化。
阻抗匹配方法主要有阻抗補償網絡法和調節變量法。阻抗補償網絡類型主要包括SPS阻抗補償網絡、LC阻抗補償網絡、T型、π型阻抗補償網絡、LCC型阻抗補償網絡、LCL型補償網絡、LCL和 CL混合型補償網絡、LCC-C型補償網絡和DC-DC型補償網絡等。調節變量法主要有調節系統工作頻率法和調節開關器件的占空比法。以上方法都可以提升線圈的有效偏移距離，然而以上方法抗偏移能力有限，很難勝任互感波動較大時的情況。
線圈本體結構設計與優化方法是解決線圈偏移時互感變化的一個有效方法。目前線圈本體結構設計與優化方法主要有：線圈自身結構設計與優化方法和線圈組合結構設計與優化方法。
在線圈自身結構設計與優化方面：韓國高等科學技術學院的Chun T. Rim等學者相繼研制了E型、U型、W型、I型和S型磁心的長導軌型線圈結構。上述線圈結構提升了線圈的偏移距離，然而該接收線圈只能覆蓋長導軌線圈（發射線圈）的一部分，不可避免地降低了接收線圈和發射線圈之間的耦合系數，導致系統效率降低。
新西蘭奧克蘭大學的J. T. Boys等學者提出了雙極性矩形平面線圈結構（Double D, DD），提高了線圈之間的耦合系數，且DD線圈結構在Y軸方向有較好的抗偏移能力，然而該結構在X軸方向的抗偏移能力較差。
奧克蘭大學M. Budhia等學者在DD線圈的基礎上增加一個正交Q線圈，從而形成了DDQ線圈，彌補了DD線圈的不足。重慶大學孫躍等學者在DD線圈的基礎上提出一種DLDD（double layer double D）型線圈結構，進一步提升了系統抗偏移能力。有文獻基于一種不對稱線圈結構，通過優化發射線圈和接收線圈的直徑和匝數，提升了系統的抗偏移能力。實驗表明：當偏移距離在10cm之內時，線圈的互感基本保持不變。
在線圈組合結構設計與優化方面，H. R. Ahn等學者使用多個接收線圈，提高了線圈偏移時的傳輸效率。J. P. W. Chow等學者提出了一種T型接收線圈結構，該接收線圈結構由兩個互相垂直的線圈構成，該結構可以有效提升角度的偏移能力。然而T型線圈結構在X軸方向偏移能力不強。為此，S. Y. Choi等學者提出了一種雙接收線圈結構，該結構在一定程度上增加了X軸方向的偏移距離。
哈爾濱工業大學宋凱和朱春波等學者研究一種基于多發射線圈并聯方式的無線供電系統，與單收發線圈結構相比，功率提升了25%，效率提升了7%。天津大學張鎮等學者提出了一種空心多發射線圈結構，當接收線圈在發射矩陣上移動時，它們之間磁場分布基本均勻，系統效率基本不變。Chris Mi等學者研究了一種六個空心發射線圈對單個接收線圈結構，實驗結果表明：當系統運動方向發生偏移時，輸出功率的波動為±7.5%。
西南交通大學麥瑞坤等學者提出了一種在發射線圈上加入一個線圈的組合結構，偏移距離在發射線圈直徑的40%范圍內，該結構的互感變化率僅為2.8%。然而偏移距離在發射線圈直徑的44.4%范圍內時，該結構的互感變化率增加到了6.4%。
綜觀現有文獻，當偏移距離在發射線圈直徑或邊長的一半范圍內變化時，互感波動率較大的問題仍然沒有解決。
湖南大學電氣與信息工程學院等單位的研究人員提出了一種多接收線圈正反串聯結構來減小沿運動方向的互感波動率。該接收線圈結構由三個接收線圈串聯而成，當線圈偏移時，其中一個接收線圈與發射線圈之間的互感會增加，另外兩個接收線圈與發射線圈之間的互感會減小。由于以上特點，相比傳統的線圈結構，該結構的互感波動率很小。另外提出了一種互感計算方法和互感優化方法，通過優化各線圈參數，進一步減小了互感波動率。
圖1a-b
圖1c
研究人員最后通過仿真和實驗驗證了所提結構與方法的正確性。結果顯示，線圈間的偏移距離在發射線圈邊長一半范圍內變化時，線圈間互感基本不變。該結構非常適合于電動汽車或AGV小車的動態無線電能傳輸系統，可以極大簡化其動態無線電能傳輸系統的恒功率或恒流控制策略。
研究人員指出，本次只研究了該線圈結構在運動方向的水平偏移對互感的影響，未來需研究側向水平偏移和運動方向的水平偏移同時變化時，如何保證線圈互感也基本恒定。
本文編自2021年第24期《電工技術學報》，論文標題為“動態無線電能傳輸系統多接收線圈正反串聯結構的互感計算與優化”，作者為李中啟、李上游 等。
