- 頭條華南理工科研團隊發表磁耦合無線電能傳輸系統拓撲發展的研究綜述2022-08-29 作者：孫淑彬、張波 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語近年來，多負載磁耦合無線電能傳輸技術已成為一個研究熱點，其中系統拓撲是一個關鍵的研究內容，決定了該技術是否能夠滿足不同應用場景的需求。為此，華南理工大學電力學院的研究人員孫淑彬、張波、李建國、疏許健、榮超，在2022年第8期《電工技術學報》上撰文，對多負載磁耦合無線電能傳輸系統拓撲進行梳理和分析。 研究人員首先將多負載磁耦合無線電能傳輸系統拓撲進行分類，進而對單電容補償型、高階阻抗匹配型、多米諾結構型和多通道型等拓撲進行分析；接著，根據電源和發射線圈數量、補償網絡類型、系統構造方式和功率傳輸方法，分別介紹主要類型拓撲的工作原理、優缺點或適用場合；最后，提出多負載磁耦合無線電能傳輸系統拓撲所面臨的問題，并展望了未來發展趨勢。
基于磁場耦合式的無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術實現了能量的無線傳輸，幫助人們擺脫了電纜的束縛，給人類社會帶來諸多便利。相比于單負載WPT技術，多負載WPT技術具有功率密度更大、激勵源利用率更高和接收負載空間位置更自由等優勢，成為近年來的研究熱點。
然而由于負載的多樣性和傳輸線圈之間存在磁場的交叉耦合等因素，多負載WPT技術面臨諸多問題：①發射線圈或接收線圈之間的交叉耦合導致系統失諧造成系統性能惡化；②接收負載之間相互干擾導致控制策略復雜；③各個負載的接收功率難以按需分配使得該技術的實用化進展變緩；④系統的輸出特性和傳輸性能對工作條件非常敏感，限制了該技術的應用；⑤增加傳輸線圈導致系統寄生電阻造成的損耗增加使發熱問題突出。
盡管如此，該技術因其潛在的優勢與應用前景依然得到了國內外研究學者的廣泛關注，并開始被應用于便攜式設備、智能家居、醫療器械和交通運輸等領域。
業內學者從控制策略設計、逆變器優化、傳輸線圈設計、系統拓撲創新等方面對多負載WPT技術做了大量研究，加快了該技術走向實際應用的進程。其中系統拓撲的創新作為一個關鍵的研究內容，很大程度上決定了該技術能否適用于不同的應用場景。現有的單負載WPT拓撲經常成為多負載WPT拓撲創新的靈感來源，但與前者相比，后者的拓撲更加多樣、理論分析更加復雜、優化難度更大。
經過十余年發展，多負載WPT技術在拓撲創新方面碩果累累。華南理工大學電力學院的研究人員從該角度對現有研究成果及其原理進行了梳理，提出了一種有效的分類方法，有助于給多負載WPT系統拓撲的相關研究提供參考。總體可將多負載WPT系統拓撲分為五大類，每一大類又可細分為多種小類，具體如圖1所示。他們首先針對不同類型的WPT拓撲的機理和特性做詳細闡述，然后指出多負載WPT系統拓撲面臨的問題，最后展望未來的發展趨勢。
圖1 多負載磁耦合WPT系統拓撲分類
在拓撲方面，研究人員主要從阻抗匹配網絡/補償網絡、發射側與接收側的電路關系、發射源等方面，對多負載磁耦合WPT拓撲進行改進，從而改善或解決特定問題。本研究所涉及的多負載WPT拓撲特性、優缺點及其適用場合總結見表1。
表1 多負載磁耦合WPT拓撲特性總結
抑制甚至消除交叉耦合干擾、實現接收功率的按需分配是多負載磁耦合WPT系統的重要問題，研究人員把現有拓撲所采用的解決方法總結如下：
1）為消除線圈間交叉耦合的影響，解決方式主要有線圈特殊設計、補償電路調節、多通道傳輸。線圈設計主要依賴于線圈形狀和屏蔽磁心的特殊設計與位置的垂直或遠距離擺放，改善磁場分布進而抑制交叉耦合的影響；補償電路調節通過改變電路等效阻抗，進而抵消交叉耦合變量；多通道傳輸利用多個不同頻率傳輸能量，接收線圈電路的自然頻率各不相同，從而減少了不同線圈間的交叉耦合。
2）實現功率分配的主要方式有等效負載阻抗調節與調頻傳輸。等效負載阻抗調節需要在接收側配置有源整流電路或升降壓、降壓等直流變換器，使用相關算法控制變換器從而獲得最優的等效負載阻抗，以實現功率的按需分配。調頻傳輸利用能量易流向相近自然頻率接收電路的特性，使能量流向目標負載。
研究人員指出，為適應不同應用場景，多負載WPT技術涌現了許多不同類型的拓撲。他們對各類型多負載WPT拓撲潛在的應用前景進行了展望：
1）單電容補償型：該類拓撲能構成發射線圈陣列并擴大有效工作范圍，可應用于智能家居產品、物聯網設施、傳感器網絡等，提高生活便捷程度。
2）高階阻抗匹配型：該類拓撲可實現恒壓/恒流輸出與負載無關工作特性，同時系統工作頻率較寬泛，可適用于電動汽車充電等電池動態充電場景。
3）多米諾結構型：該類拓撲有望實現長距離無線中繼供電，可應用于礦井照明設施、地鐵線路設備等場合，降低線纜鋪設成本與維護難度。
4）多通道型：該類拓撲能為不同類型的負載同時進行無線充電，可應用于常見的消費電子產品（如智能手表、智能手機、藍牙耳機等），構建統一通用的多智能設備無線充電平臺。
他們接著表示，盡管目前已有眾多研究成果，但多負載WPT拓撲仍然存在著系統整體效率不高、發熱嚴重、占用空間過大、傳輸距離有限、接收負載位置自由度不足、功率分配不合理、接收側互相干擾或輸出對負載條件較為敏感等問題。
多負載WPT拓撲的發展，需進一步完善以下四個方面：
1）有源阻抗匹配網絡的創新和完善。無源IMN能夠實現負載無關的輸出特性，但無法實現主動調節。現有的有源IMN一定程度上能夠用于調節功率的合理分配、校正參數漂移或提高系統電壓電流增益，但對工作條件的要求比較苛刻，且大多數只能犧牲其他需求而滿足部分要求。因此，對有源IMN進一步探索，深入發揮其連續性調節的優勢，挖掘其“身兼多職”的潛在能力，即令其同時滿足多種需求，是未來的發展趨勢之一。
2）系統兼容性的進一步提升。隨著電子設備、電動工具、便攜式醫療器械和電動汽車等產品的進一步普及，已形成多種WPT技術標準，且各個標準之間工作頻率等設計指標大相徑庭。采用混頻交流源有助于兼容這些標準，但現有的研究成果依然存在系統頻率的數量較少、只能涵蓋個別標準的問題。需要進一步對混頻交流源和發射器開展研究。
3）接收負載位置自由度的提高。目前多負載WPT技術的實際應用難以實現接收負載的遠距離和任意角度的充電，平面發射陣列和三維發射線圈結構有利于改善這個問題，但依然受到充電功率、位置、角度和距離的限制。發明一種能夠結合現有技術優點的新型發射線圈結構，以及控制算法的定位功能，或者基于新型WPT機理（如近年來出現的毫米波技術），進而實現接收負載的全方位快速充電，將會是未來的發展趨勢之一。
4）系統性能如傳輸效率和整機效率的優化。由于高頻條件下導線的寄生參數、功率器件的損耗，多負載WPT系統存在發熱嚴重、參數漂移和效率不高等問題。然而，這些問題將隨著超導材料和新型功率器件（如石墨烯、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等）的發展逐漸得到解決，新型高效的多負載WPT拓撲將被提出，相應技術將走向高性能化、小型化和高功率密度化應用。
本文編自2022年第8期《電工技術學報》，論文標題為“多負載磁耦合無線電能傳輸系統的拓撲發展和分析”。第一作者為孫淑彬，1994年生，碩士，研究方向為無線電能傳輸技術。通訊作者為張波，1962年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動。本課題得到了國家自然科學基金重點資助項目的支持。
