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磁耦合諧振式動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，該技術(shù)可應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo)引車（Automatic Guided Vehicles, AGV）和電動(dòng)汽車（Electric Vehicles, EV）的供電系統(tǒng)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以消除AGV或EV對(duì)電池的依賴，因?yàn)锳GV或EV使用DWPT系統(tǒng)時(shí)，可以在行駛時(shí)充電。然而在DWPT系統(tǒng)中，發(fā)送線圈和接收線圈沿運(yùn)動(dòng)方向不可避免地會(huì)產(chǎn)生水平偏移，從而導(dǎo)致其互感變化。

值得注意的是，在DWPT系統(tǒng)中，沿運(yùn)動(dòng)方向的水平偏移可能會(huì)至少達(dá)到傳輸線圈邊長(zhǎng)（或外徑）的一半。在此極限偏移下，互感的變化非常劇烈，嚴(yán)重影響DWPT系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前主要有兩種方法來(lái)解決線圈偏移對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，即阻抗匹配方法和新線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

阻抗匹配方法主要有阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)法和調(diào)節(jié)變量法。阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)類型主要包括SPS阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LC阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、T型、π型阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCC型阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCL型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCL和 CL混合型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCC-C型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和DC-DC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等。調(diào)節(jié)變量法主要有調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率法和調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)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(dòng)較大時(shí)的情況。

線圈本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法是解決線圈偏移時(shí)互感變化的一個(gè)有效方法。目前線圈本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法主要有：線圈自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法和線圈組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。

在線圈自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面：韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院的Chun T. Rim等學(xué)者相繼研制了E型、U型、W型、I型和S型磁心的長(zhǎng)導(dǎo)軌型線圈結(jié)構(gòu)。上述線圈結(jié)構(gòu)提升了線圈的偏移距離，然而該接收線圈只能覆蓋長(zhǎng)導(dǎo)軌線圈（發(fā)射線圈）的一部分，不可避免地降低了接收線圈和發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

新西蘭奧克蘭大學(xué)的J. T. Boys等學(xué)者提出了雙極性矩形平面線圈結(jié)構(gòu)（Double D, DD），提高了線圈之間的耦合系數(shù)，且DD線圈結(jié)構(gòu)在Y軸方向有較好的抗偏移能力，然而該結(jié)構(gòu)在X軸方向的抗偏移能力較差。

奧克蘭大學(xué)M. Budhia等學(xué)者在DD線圈的基礎(chǔ)上增加一個(gè)正交Q線圈，從而形成了DDQ線圈，彌補(bǔ)了DD線圈的不足。重慶大學(xué)孫躍等學(xué)者在DD線圈的基礎(chǔ)上提出一種DLDD（double layer double D）型線圈結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)抗偏移能力。有文獻(xiàn)基于一種不對(duì)稱線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化發(fā)射線圈和接收線圈的直徑和匝數(shù)，提升了系統(tǒng)的抗偏移能力。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)偏移距離在10cm之內(nèi)時(shí)，線圈的互感基本保持不變。

在線圈組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，H. R. Ahn等學(xué)者使用多個(gè)接收線圈，提高了線圈偏移時(shí)的傳輸效率。J. P. W. Chow等學(xué)者提出了一種T型接收線圈結(jié)構(gòu)，該接收線圈結(jié)構(gòu)由兩個(gè)互相垂直的線圈構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)可以有效提升角度的偏移能力。然而T型線圈結(jié)構(gòu)在X軸方向偏移能力不強(qiáng)。為此，S. Y. Choi等學(xué)者提出了一種雙接收線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了X軸方向的偏移距離。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋凱和朱春波等學(xué)者研究一種基于多發(fā)射線圈并聯(lián)方式的無(wú)線供電系統(tǒng)，與單收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)相比，功率提升了25%，效率提升了7%。天津大學(xué)張鎮(zhèn)等學(xué)者提出了一種空心多發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，當(dāng)接收線圈在發(fā)射矩陣上移動(dòng)時(shí)，它們之間磁場(chǎng)分布基本均勻，系統(tǒng)效率基本不變。Chris Mi等學(xué)者研究了一種六個(gè)空心發(fā)射線圈對(duì)單個(gè)接收線圈結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏移時(shí)，輸出功率的波動(dòng)為±7.5%。

西南交通大學(xué)麥瑞坤等學(xué)者提出了一種在發(fā)射線圈上加入一個(gè)線圈的組合結(jié)構(gòu)，偏移距離在發(fā)射線圈直徑的40%范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的互感變化率僅為2.8%。然而偏移距離在發(fā)射線圈直徑的44.4%范圍內(nèi)時(shí)，該結(jié)構(gòu)的互感變化率增加到了6.4%。

綜觀現(xiàn)有文獻(xiàn)，當(dāng)偏移距離在發(fā)射線圈直徑或邊長(zhǎng)的一半范圍內(nèi)變化時(shí)，互感波動(dòng)率較大的問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院等單位的研究人員提出了一種多接收線圈正反串聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)減小沿運(yùn)動(dòng)方向的互感波動(dòng)率。該接收線圈結(jié)構(gòu)由三個(gè)接收線圈串聯(lián)而成，當(dāng)線圈偏移時(shí)，其中一個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感會(huì)增加，另外兩個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感會(huì)減小。由于以上特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的互感波動(dòng)率很小。另外提出了一種互感計(jì)算方法和互感優(yōu)化方法，通過(guò)優(yōu)化各線圈參數(shù)，進(jìn)一步減小了互感波動(dòng)率。

圖1a-b

圖1c

研究人員最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提結(jié)構(gòu)與方法的正確性。結(jié)果顯示，線圈間的偏移距離在發(fā)射線圈邊長(zhǎng)一半范圍內(nèi)變化時(shí)，線圈間互感基本不變。該結(jié)構(gòu)非常適合于電動(dòng)汽車或AGV小車的動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，可以極大簡(jiǎn)化其動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)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(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)方向的水平偏移對(duì)互感的影響，未來(lái)需研究側(cè)向水平偏移和運(yùn)動(dòng)方向的水平偏移同時(shí)變化時(shí)，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(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)多接收線圈正反串聯(lián)結(jié)構(gòu)的互感計(jì)算與優(yōu)化”，作者為李中啟、李上游 等。