李素環(huán) 廖承林,2 王麗芳*,2 郭彥杰,2 朱慶偉

（1.中國科學(xué)院電工研究所 中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室 北京 100190 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 100081）

1 引言

近年來隨著人類的發(fā)展社會的進步，無線電能傳輸越來越得到人們的關(guān)注。無線電能傳輸（wireless power transfer,WPT），又稱為非接觸式電能傳輸（contactless power transfer,CPT），指的是電能可以從電源到負載的一種沒有經(jīng)過導(dǎo)線的能量傳輸方式。無線電能傳輸技術(shù)主要有四種實現(xiàn)方式：電磁輻射式（無線電波、激光），電場耦合式，磁場耦合式（感應(yīng)式、諧振式），超聲波等。電場耦合式無線電能傳輸中，電源側(cè)的金屬平板和負載側(cè)的金屬平板形成電容，利用電容的電場進行電能傳輸。由于電場對人體的危害比磁場嚴重，因此目前研究得比較少；輻射式傳輸雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的無線電能傳輸，但是其復(fù)雜的跟蹤定位系統(tǒng)以及較低的傳輸效率，影響了其發(fā)展[1]。

目前磁耦合無線電能傳輸是人們關(guān)注的熱點，這種傳輸方式受到的關(guān)注較多。它是利用電源側(cè)的線圈產(chǎn)生交變磁場，通過磁場耦合到負載側(cè)的線圈，從而進行能量的傳遞。根據(jù)線圈中是否發(fā)生諧振，以及傳輸距離相較于線圈尺寸的大小，可以分為感應(yīng)式和諧振式兩種。磁耦合感應(yīng)式無線電能傳輸（magnetically-coupled inductive wireless power transfer,MCI-WPT）技術(shù)，是利用電磁感應(yīng)原理。該技術(shù)是將兩個線圈放置于鄰近位置上，當(dāng)電流在一個線圈中流動時，所產(chǎn)生的磁通量成為媒介，導(dǎo)致另一個線圈中也產(chǎn)生電動勢，這種技術(shù)的優(yōu)點是可以達到較大的功率以及非接觸式帶來的優(yōu)勢，但是能量傳輸距離都很近，被限制在毫米等級，且當(dāng)距離增大后，傳輸效率急劇下降[1-2]。而磁耦合諧振式無線電能傳輸（magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT）則利用諧振原理兩個具有相同諧振頻率的振蕩器，在相距一定的距離時，經(jīng)磁場耦合產(chǎn)生諧振實現(xiàn)能量傳遞，能量傳遞的介質(zhì)是中高頻磁場。其基本思想是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可以實現(xiàn)耦合諧振并進行高效率的能量交換，而不同頻率物體之間的相互作用較弱，系統(tǒng)原理性結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 磁耦合諧振式無線能量傳輸示意圖Fig.1 A sketch map of magnetically-coupled resonant wireless power transfer

本文對無線電能傳輸技術(shù)進行了簡單的綜述，并介紹了作為研究焦點的磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是線圈部分的設(shè)計與優(yōu)化。最后總結(jié)了現(xiàn)階段磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)線圈設(shè)計的各類方法，并對未來無線電能傳輸領(lǐng)域的發(fā)展做出了展望。

2 基本原理與研究方法

2.1 基本原理

磁感應(yīng)式無線電能傳輸機理類似于可分離變壓器[3-4]?；诜蛛x式變壓器的非接觸供電電路示意圖如圖2 所示，整個電路由交流電源、一次整流濾波、高頻逆變、分離式變壓器、二次整流濾波和負載組成。交流電源產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流電壓，再經(jīng)高頻逆變裝置將直流逆變?yōu)楦哳l交流，這種高頻交變電流經(jīng)一次發(fā)送線圈向外界輻射電磁能量，通過分離式變壓器的一二次線圈間的電磁耦合，二次接收線圈中將產(chǎn)生同頻率的交變電流，得到感應(yīng)電壓，經(jīng)二次整流電路整流后對負載供電[2]。

圖2 基于分離式變壓器的無線電能傳輸示意Fig.2 Based on the separated type transformer of wireless power transfer schematic diagram

諧振式無線電能傳輸方案是在電磁感應(yīng)方案的基礎(chǔ)上提出的，其在一定程度上解決了后者傳輸距離近和傳輸效率低的問題。這種方案利用發(fā)射線圈的電感和串聯(lián)的電容形成共振回路，在接收端也組成同樣共振頻率的接收回路，利用諧振形成的強磁耦合來實現(xiàn)高效率的無限電能傳輸[1]。是近區(qū)場電磁耦合特性，電磁能量在輻射源周圍空間以及輻射源內(nèi)部之間周期性的流動。因電場主要被束縛在電容器內(nèi)部，所以在發(fā)射線圈周圍形成了非輻射的交變磁場并用來進行能量傳輸。

2.2 研究方法

目前，在磁耦合無線功率傳輸（wireless power transmission,WPT）這一領(lǐng)域的理論研究工具可分為兩大類，即時域的耦合模理論[1,6-7]和頻域的集總參數(shù)電路理論[1]。這兩種方法雖然研究角度不同但相互等效，而后者更為電力電子工程技術(shù)人員所熟悉[5]。只要滿足了近場、無輻射的條件，穩(wěn)態(tài)下電路理論和耦合模理論得出的結(jié)果，包括傳輸效率、功率等都是一致的。

3 磁耦合線圈設(shè)計

由文中第二部分介紹可知磁耦合感應(yīng)式無線電能傳輸（MCI-WPT）機理類似于可分離變壓器[3-4]。氣隙部分代替了鐵心，導(dǎo)致了磁力線沒有定向的通道和負載側(cè)的線圈相鉸鏈。因此只有在較短的距離下，才能實現(xiàn)較大功率和較高效率的傳輸。當(dāng)距離增大后，傳輸效率急速下降。該無線電能傳輸方式一般只有在小于傳輸線圈直徑的傳輸距離下，才能達到較高的效率和較大的功率[1]。

磁耦合諧振式無線電能傳輸MCR-WPT 技術(shù)通過2 個諧振在相同頻率上的電感線圈之間的近場磁耦合來短距離傳遞能量，這種雙線圈的磁耦合諧振系統(tǒng)，存在一個被稱為臨界耦合的最佳工作狀態(tài)，如果超出這個范圍，磁耦合迅速減弱，導(dǎo)致傳輸效率和負載功率迅速下降，傳輸性能急劇惡化[5]。所以優(yōu)化線圈設(shè)計可提高傳輸效率。

因為線圈的設(shè)計是WPT 的關(guān)鍵技術(shù)之一，高品質(zhì)因數(shù)的線圈對系統(tǒng)的傳輸性能包括傳輸距離，傳輸效率，傳輸功率等有很大的影響。優(yōu)化線圈設(shè)計對傳輸效率至關(guān)重要。文獻8 中介紹了線圈各因素對效率影響的具體分析。本文將對線圈各種優(yōu)化方法進行整理比較，為以后的無線傳輸選擇合適的線圈優(yōu)化方法。

3.1 磁耦合感應(yīng)式的線圈設(shè)計

要想提高無線能量的傳輸效率，可從兩方面進行：一是提高線圈的耦合系數(shù)；二是解決充電系統(tǒng)中的磁通分布不均的問題，使得不同位置的接收線圈均能得到有效的磁通耦合，提高系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率，通過增加原、副邊的磁芯正對面積，提高全耦合磁通的比例，提高了耦合系數(shù)[9]；香港城市大學(xué)的S.Y.PonHui 教授利用多層PCB 繞組，通過磁場的交錯巧妙的解決了磁通分布不均的問題，又提出由集中繞組和螺旋繞組構(gòu)成復(fù)合繞組，將兩種磁通分布特性不同的繞組結(jié)構(gòu)組合，使得充電平臺中的磁場均勻分布。

功率傳輸效率（PTE）和傳輸?shù)截撦d的功率（PDL）是感應(yīng)式傳輸?shù)膬蓚€關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，需要這兩個之間取得平衡，因為高PTE 會降低PDL，反之亦然。因此提出一個新的品質(zhì)因數(shù)（FoM），可以確定特定應(yīng)用程序需要一個兩線圈或三線圈或者四線圈，然后通過一個迭代設(shè)計過程達到最優(yōu)的線圈形狀。該品質(zhì)因數(shù)表明，雙線圈適合強耦合線圈及大PDL 的情況；三線圈在松散耦合并且耦合距離變化大以及一個大的PDL 情況下是最好的；四線圈在PTE 影響比較大、松散耦合及他們的相對距離和對齊方式是穩(wěn)定的時候使用是最優(yōu)的[10,11]。

可利用垂直方向的磁通量實現(xiàn)能量傳輸?shù)姆椒?，為提高充電效率，接收線圈的擺放應(yīng)該與初級線圈平行（以接收更多的垂直方向的磁通量）。因此，為了使待充電設(shè)備的功率接收效率不因擺放位置的不同或者擺放方向的不同而不同，初級線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的垂直分量的分布應(yīng)盡可能均勻[12]。

還有一種初級線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可通過電流圓線圈和螺旋線圈的組合產(chǎn)生均勻分布的磁場，并通過使用EMC scanner 測試進行了驗證。其示意圖如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)包括外側(cè)的電流圓線圈和中間的螺旋繞組兩個部分，其主要思想是通過合理的調(diào)整兩種線圈的參數(shù)，使得其合成的軸向磁感應(yīng)強度接近均勻分布[13]。注：考慮實際制造和使用的方便性，用矩形線圈代替圓形線圈，線圈的四角用折線代替以減弱四角突變帶來影響。

圖3 Fig.3 Sketch of the circular hybrid structure in three-dimensional

3.2 磁耦合諧振式的線圈設(shè)計

由電路分析，由式（2）可知，導(dǎo)線半徑越小，線圈匝數(shù)越多，線圈本身損耗電阻R0很大，而這種損耗又不可避免。所以，在設(shè)計時應(yīng)盡量選用粗導(dǎo)線，在保證需要的自諧振頻率情況下減少匝數(shù)，采用鍍銀銅線以增加導(dǎo)電率，降低線圈的自身損耗，從而提高效率。在同樣的互感值下，加大線圈半徑，可增加傳輸距離[14]。

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；a為導(dǎo)線半徑；r為線圈半徑；n為線圈匝數(shù)；σ為電導(dǎo)率；l為導(dǎo)線長度。

還可引入中繼線圈，文獻[5]從電路理論的角度出發(fā)，針對基于磁耦合諧振的無線能量傳輸系統(tǒng)的單中繼線圈諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)做了較詳細的研究，給出了這種三線圈（發(fā)射–中繼–接收）無線能量傳輸系統(tǒng)的臨界耦合條件和接收端負載功率最大化條件。通過在發(fā)射線圈和接收線圈之間增加一個同諧振頻率的線圈，可以很大程度地提高能量轉(zhuǎn)換效率[15]，雖然四諧振線圈結(jié)構(gòu)相比兩諧振線圈結(jié)構(gòu)能夠在大的傳輸距離上取得較高的傳輸效率，但是傳輸功率相對不高[16]。而在兩線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加1 個中繼諧振線圈，在保持傳輸效率與之可相比擬的情況下，能更大地提高傳輸功率；在四線圈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，相比于沒有中繼諧振線圈的情況，增加1 個中繼諧振線圈能在一定程度上提高傳輸效率[17]。文獻[18]通過對中繼諧振器網(wǎng)絡(luò)進行理論分析和軟件仿真，提出了中繼諧振器使用數(shù)量和擺放方位的優(yōu)化策略[1]。

雖然MCR-WPT 對方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，并且有些場合需要按照特定路徑進行能量傳輸。為了更好的實現(xiàn)能量的定向傳輸，可以使用多線圈設(shè)計來改變能量傳輸路徑。還可以通過增加小型中繼諧振線圈，可以使得能量按照曲線路徑進行傳播，通過改變不同中繼線圈的空間布局，從而達到改變能量傳輸路徑的效果[15]，在多米諾結(jié)構(gòu)下，圖4 所示，中間線圈的擺放朝向、間距等對對傳輸效率的影響。

圖4 Domino 線圈結(jié)構(gòu)Fig.4 Domino coil structure

下面分析一下應(yīng)用比較多的四線圈結(jié)構(gòu)，又稱雙增強線圈結(jié)構(gòu)，可以在初次級線圈之間增加線圈以增大傳輸效率[19]。高品質(zhì)因數(shù)的增強線圈能彌補無線供電系統(tǒng)中耦合系數(shù)小的不足，四線圈電磁諧振式無線供電系統(tǒng)為研究對象，對增加線圈在電磁諧振式無線供電系統(tǒng)中的作用進行了研究。實驗結(jié)果表明，在無線供電系統(tǒng)中的適當(dāng)位置加入增強線圈能有效地增大輸出電壓；增強線圈的品質(zhì)因數(shù)越大，系統(tǒng)的傳輸性能越好[19]。

最后比較了兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)果表明，在不降低傳輸效率的同時，四線圈結(jié)構(gòu)由于增加了電源線圈和負載線圈，可以方便地進行電源匹配和負載匹配。在很大程度上隔離電源和負載對諧振線圈的影響。

還有一種是多線圈結(jié)構(gòu)，多線圈諧振無線能量傳輸系統(tǒng)可以在將傳輸距離延長數(shù)倍的同時只增加少量損耗；奇數(shù)個中繼線圈的多線圈諧振無線能量傳輸系統(tǒng)比擁有偶數(shù)個中繼線圈的多線圈諧振無線能量傳輸系統(tǒng)性能好，因為其可以在不同工作距離時具有相同的工作頻率。不少相關(guān)實驗室已經(jīng)研究了陣列諧振器對傳輸效率的影響。三菱電子研究實驗室（Mitsubishi Electric Research Laboratories）B.Wang 等人提出基于陣列諧振器的磁耦合諧振WPT系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用10 個陣列諧振器傳輸能量時傳輸效率大于85%[20]；日本東芝公司N.Oodachi等人提出采用發(fā)射器陣列的磁耦合諧振 WPT 系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)增加諧振線圈能提高傳輸效率，且發(fā)射器陣列在異相激勵模式下耦合系數(shù)較大[21]；韓國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（University of Science &Technology）J.W.Kim 等人提出由5 個自諧振線圈和單個自諧振線圈構(gòu)成的發(fā)射接收天線的磁耦合諧振WPT 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以以更低的諧振頻率取得較高的傳輸效率[22]。還可用自適應(yīng)的調(diào)頻技術(shù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。

文獻[23]還介紹了一種方法：發(fā)射線圈使用多捆純銅導(dǎo)線按照一定規(guī)律纏繞，形成多匝線圈，使用聚磁能力好的鐵氧體進行磁軛處理，選用高磁導(dǎo)率、高電阻率的鐵基納米晶材料，可以很好地設(shè)計磁路，降低磁漏。接收線圈同樣采用發(fā)射線圈相似的結(jié)構(gòu)，然而接收線圈采用了塔形多層多捆純銅導(dǎo)線，按照一定規(guī)律纏繞。在現(xiàn)場試驗中，發(fā)射線圈的中心的磁場強度比較大，可使感應(yīng)電勢連續(xù)分配。

4 結(jié)論

本文對無線電能傳輸技術(shù)進行了簡單的綜述，并介紹了作為研究焦點的磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是線圈部分的設(shè)計與優(yōu)化。線圈的設(shè)計是無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一，高品質(zhì)因數(shù)的線圈對系統(tǒng)的傳輸性能包括傳輸距離，傳輸效率，傳輸功率等有很大的影響。針對不同形式的磁耦合分析不同的設(shè)計方法對效率的影響。如線圈自身參數(shù)的設(shè)計，包括線圈的形狀、結(jié)構(gòu)、匝數(shù)、匝間距、繞制方法、材料選擇等等，及諧振鏈路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，比如2 線圈、4 線圈的選擇，中繼線圈的引入，鐵氧體的使用，以及多發(fā)射線圈、多接收線圈系統(tǒng)的研究，本文主要對其各類方法進行了簡要說明。最后總結(jié)了現(xiàn)階段磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)線圈設(shè)計的各類方法，并對未來無線電能傳輸領(lǐng)域的發(fā)展做出了展望。

[1]趙爭鳴,張藝明,陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進展[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33(3)：1-13.ZHAO Zhengming,ZHANG Yiming,CHEN Kainan.New Progress of Magnetically-coupled Resonant Wireless Power Transfer Technology[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(3)：1-13.

[2]刁寅亮.產(chǎn)生均勻磁場的無線充電平臺中初級線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].北京郵電大學(xué),2011.Diao yinliang.Design of coil structure achieving uniform magnetic field distribution for wireless charging platform[D].Beijing university of posts and telecommunications,2011.

[3]Brown W C.Status of the microwave power transmission components for the solar power satellite[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,1981,29(12)：1319-1327.

[4]Lin J C.Space solar-power stations,wireless power transmissions,and biological implications[J].Microwave Magazine,IEEE,2002,3(1)：36-42.

[5]羅斌,生茂棠,吳仕闖,等.磁諧振耦合式單中繼線圈無線功率接力傳輸系統(tǒng)的建模與分析[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33(21)：170-177.Luo Bin,Sheng Maotang,Wu Shichuang.Modeling and Analysis of Magnetic Resonance Coupling Wireless Relay Power Transfer System With Single Intermediate Coil Resonator[J].Proceedings of the CSEE.2013,33(21)：170-177.

[6]Karalis A,Joannopoulos J D,Solja?i? M.Efficient wirelessenergy transfer[J].Annals of Physics,2008,323(1)：34-48.

[7]Trikolikar A A,Nalbalwar D S L,Bhagat L M P.Review of wireless power transmission by using strongly coupled magnetic resonance[J].International Journal of Advanced Engineering &Applications,2010,1：157-161.

[8]陳逸鵬,聶一雄.諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)諧振線圈優(yōu)化設(shè)計[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報,2012,20(3)：62-66.Chen Yipeng,Nie Yixiong.An optimal design of resonant coil for magnetically coupled resonant wireless power transfer system[J].Journal of Xiamen University of Technology,2012,20(3)：62-66.

[9]劉波,張鵬,李君,等.電動汽車無線充電技術(shù)綜述[J].汽車與配件,2013 (32)：28-30.Liu bo,zhangpeng,lijun.A review of the electric vehicle wireless charging technology[J].Automobile&Parts Technology,2013 (32)：28-30.

[10]Kiani M,Ghovanloo M.A figure-of-merit for designing high-performance inductive power transmission links[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2013,60(11)：5292-5305.

[11]Kiani M,Jow U M,Ghovanloo M.Design and optimization of a 3-coil inductive link for efficient wireless power transmission[J].Biomedical Circuits and Systems,IEEE Transactions on,2011,5(6)：579-591.

[12]Liu X,Hui S Y R.Equivalent circuit modeling of a multilayer planar winding array structure for use in a universal contactless battery charging platform[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2007,22(1)：21-29.

[13]Liu X,Hui S Y R.Optimal design of a hybrid winding structure for planar contactless battery charging platform[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2008,23(1)：455-463.

[14]傅文珍,張波,丘東元,等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計[J][J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(18)：21-26.FU Wen-zhen,ZHANG Bo,QIU Dong-yuan,WANG Wei,Maximum Efficiency Analysis and Design of Self-resonance Coupling Coils for Wireless Power Transmission System[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(18)：21-26.

[15]Zhang F,Hackworth S A,Fu W,et al.Relay effect of wireless power transfer using strongly coupled magnetic resonances[J].Magnetics,IEEE Transactions on,2011,47(5)：1478-1481.

[16]RamRakhyani A K,Mirabbasi S,Chiao M.Design and optimization of resonance-based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants[J].Biomedical Circuits and Systems,IEEE Transactions on,2011,5(1)：48-63.

[17]Kim J W,Son H C,Kim K H,et al.Efficiency analysis of magnetic resonance wireless power transfer with intermediate resonant coil[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2011,10：389-392.

[18]Zhang F,Liu J,Mao Z,et al.Mid-range wireless power transfer and its application to body sensor networks[J].Open Journal of Applied Sciences,2012,2(01)：35.

[19]鄧亞峰,薛建國,張緒鵬,等.電磁諧振式無線供電系統(tǒng)的增強線圈研究[J].制造業(yè)自動化,2012,34(17)：1-4.Deng Ya-feng,Xue Jian-guo,Zhang Xu-peng,Study on intensifier coils of electromagnetic resonant wireless power supply[J].Manufacturing automation,2012,34(17)：1-4.

[20]Wang B,Teo K H,Yamaguchi S,et al.Flexible and mobile near-field wireless power transfer using an array of resonators[R].IEICE Technical Report,WPT2011-16,2011.

[21]Oodachi N,Ogawa K,Kudo H,et al.Efficiency improvement of wireless power transfer via magnetic resonance using transmission coil array[C].Antennas and Propagation (APSURSI),2011 IEEE International Symposium on.IEEE,2011：1707-1710.

[22]Kim J,Son H C,Kim D H,et al.Wireless power transfer for free positioning using compact planar multiple self-resonators[C].Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission：Technologies,Systems,and Applications (IMWS),2012 IEEE MTT-S International.IEEE,2012：127-130.

[23]郭言平.無線充電的關(guān)鍵技術(shù)和研究[J].合肥學(xué)院學(xué)報,2012：72-74.Guo yanping,Wireless Charging Technology and The Key Research[J].Journal of Hefei University,2012：72-74