高鍵鑫，吳旭升，高 嵬，李廣義

（海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢 430033）

電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)研究綜述

高鍵鑫，吳旭升，高 嵬，李廣義

（海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢 430033）

非接觸電能傳輸（CPT）技術(shù)可以使電氣設(shè)備擺脫導(dǎo)線的束縛，極大地?cái)U(kuò)展電氣設(shè)備的活動(dòng)范圍，提升特殊環(huán)境下供電的安全性能。針對目前CPT技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸（ICPT）技術(shù)，首先論述了該技術(shù)的發(fā)展歷程；然后以坡印廷矢量為理論基礎(chǔ)，探討了非接觸供電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。將現(xiàn)有的CPT技術(shù)按實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了分類，將磁共振式非接觸電能傳輸技術(shù)歸入ICPT技術(shù)分類；系統(tǒng)性地分析了ICPT技術(shù)的主要技術(shù)難點(diǎn)，指出耦合器耦合系數(shù)低是ICPT技術(shù)的主要技術(shù)問題，其他問題是在該問題無法解決時(shí)采用其他技術(shù)彌補(bǔ)而產(chǎn)生的。最后，論述了ICPT系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)有解決方案。

非接觸電能傳輸；磁耦合；諧振；無線電能傳輸

非接觸供電CPT（contactless power transfer）技術(shù)采取不直接接觸的方式進(jìn)行電能傳輸。與傳統(tǒng)的直接接觸的導(dǎo)體供電相比，非接觸供電技術(shù)克服了傳統(tǒng)電能傳輸方式的一些不足，不僅解決了導(dǎo)線連接過程中的電火花、磨損、漏電等問題，同時(shí)為解決磁懸浮列車移動(dòng)供電、內(nèi)植式醫(yī)療設(shè)備密閉環(huán)境供電、水下監(jiān)測無電纜電能傳輸?shù)葐栴}提供了一條新的可行的解決方案［1］。對非接觸供電技術(shù)的研究是基礎(chǔ)性研究，其產(chǎn)生的成果必將對人類的生活方式產(chǎn)生深入的影響，催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和新的研究領(lǐng)域。

1 ICPT技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代，新西蘭奧克蘭大學(xué)的John Boys教授科研團(tuán)隊(duì)首次提出采用電磁感應(yīng)的方式進(jìn)行電能的無線傳輸，并深入研究了電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸ICPT（inductive contactless power transfer）技術(shù)的理論基礎(chǔ)和原理［2-7］、功率控制策略［8-10］、啟動(dòng)控制問題［11］、感應(yīng)耦合器設(shè)計(jì)問題［12-14］、控制信號調(diào)制同步傳輸問題［15］、系統(tǒng)穩(wěn)定性問題［16-18］、電路分析方法［19,20］等。不僅在有軌電車、電動(dòng)汽車［21］等交通工具上進(jìn)行了工程實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，也在生物體體內(nèi)植入的醫(yī)療設(shè)備無線供電進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Boys教授對該領(lǐng)域的大量深入的研究獲得英國皇家學(xué)會勛章。

在產(chǎn)業(yè)推進(jìn)方面，新西蘭奧克蘭大學(xué)附屬奇思公司已經(jīng)將ICPT技術(shù)成功應(yīng)用于30 kW的旅客觀光車的無線供電，該示范項(xiàng)目已經(jīng)在新西蘭Rotorua國家地?zé)峁珗@成功運(yùn)行。此外，奧克蘭大學(xué)還與Powerby Proxy公司合作研發(fā)了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂的無線電源裝置。奧克蘭大學(xué)的附屬HaloIPT公司研制了電動(dòng)汽車的無線充電裝置，允許充電裝置與電動(dòng)汽車電源接收裝置出現(xiàn)一定的位移，無需接收裝置完全置于發(fā)射線圈的正上方。

2007年，美國麻省理工學(xué)院Marin Soljacic教授研究團(tuán)隊(duì)首次提出利用電磁共振的原理實(shí)現(xiàn)較長距離的無線供電。其研究成果發(fā)表在《Science》上，實(shí)現(xiàn)了2 m距離的60 W電能傳輸［22］。電能發(fā)射端和電能接收端以10 MHz的頻率發(fā)生共振，在1 m距離上實(shí)現(xiàn)了電能傳輸效率85%以上、2 m距離傳輸效率約40%的令人振奮的成果。該成果引起了大量科研人員的關(guān)注，激發(fā)了科研工作者投身于無線電能傳輸領(lǐng)域的研究。

日本東北大學(xué)Fumihiro Sato等研究了機(jī)器人的無線電能傳輸［23］和電能及信號同步傳輸技術(shù)［24］，該技術(shù)為生物體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備的無線供電和信號傳輸提供了理論支撐；日本Kumamoto科技學(xué)院的Hiroshi Sakamoto等研究了無線供電的能量接收端電壓穩(wěn)定性［25］以及感應(yīng)耦合器的渦流損耗問題［26］；日本日立實(shí)驗(yàn)室的Hideki Ayano等研究了電磁感應(yīng)耦合裝置線圈和鐵芯的設(shè)計(jì)［27］；日本東京大學(xué)Takehiro Imura等研究了在耦合氣隙發(fā)生一定變動(dòng)的情況下如何保持諧振頻率穩(wěn)定的問題［28］，其設(shè)計(jì)的無線電能傳輸裝置諧振頻率選擇在國際工業(yè)開放頻率段13.56 MHz，并推導(dǎo)了氣隙與電能最大傳輸效率的關(guān)系［29］；韓國Eun-Soo Kim等研究了串聯(lián)補(bǔ)償半橋諧振電磁感應(yīng)耦合系統(tǒng)的傳輸效率與補(bǔ)償電容、耦合電磁場頻率、負(fù)載阻抗的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［30］；Sanghoon Cheon等則對該系統(tǒng)建立了節(jié)點(diǎn)方程，研究了系統(tǒng)各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并著重實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了耦合場頻率對系統(tǒng)傳輸損耗的影響［31］；西班牙 Jesus Sallan等對采用電磁感應(yīng)方式的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了電磁感應(yīng)耦合器一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)、面積、耦合頻率參數(shù)之間的優(yōu)化方案［32］，后來，該科研團(tuán)隊(duì)又提出了一種電路補(bǔ)償方案，用于解決一次側(cè)和二次側(cè)中心位移引起的系統(tǒng)傳輸效率下降問題［33］，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在功率2 kW、一次側(cè)與二次側(cè)距離15 cm時(shí)所提出補(bǔ)償方案的可行性。

ICPT技術(shù)是人類認(rèn)識到電能傳輸本質(zhì)后，對電能傳輸方法的一次革命性的拓展和充滿艱辛的探索，是當(dāng)前無線電能傳輸技術(shù)研究領(lǐng)域中的主要研究熱點(diǎn)。本文從電能傳輸?shù)谋举|(zhì)出發(fā)，按照電能非接觸傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)原理對現(xiàn)有非接觸電能傳輸技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分類，探討ICPT技術(shù)在現(xiàn)有非接觸電能傳輸技術(shù)中的所處位置。

2 ICPT技術(shù)在現(xiàn)有CPT技術(shù)中所處地位

2.1 CPT技術(shù)的理論根基及分類標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的電路理論將電路中能量的流動(dòng)簡化為了電流的流動(dòng)，認(rèn)為導(dǎo)線中傳輸?shù)哪芰渴怯呻娏鱾鬟f的。這樣的簡化模型有助于對電路的分析和設(shè)計(jì)。但現(xiàn)代電磁場理論發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況并非如此。電能傳輸本質(zhì)是電磁場的傳輸。導(dǎo)線的作用是引導(dǎo)電磁場的定向傳播，導(dǎo)線中表現(xiàn)出來的電流是電磁場傳播過程中在導(dǎo)體中的宏觀現(xiàn)象。

導(dǎo)線中的電流與導(dǎo)線周圍的電磁場相互轉(zhuǎn)化，相互制約。當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)線的電流頻率較低時(shí)，導(dǎo)線周圍的電磁場引起的導(dǎo)體中電流的變化并不明顯，但隨著電流頻率的提高，導(dǎo)線周圍的電磁場效應(yīng)越來越明顯，并能顯著地改變導(dǎo)體中電流的傳輸方式，產(chǎn)生趨膚效應(yīng)［34］（skin effect）、鄰近效應(yīng)［35］（proximity effect）。導(dǎo)線在電能傳輸中所起的作用僅是引導(dǎo)電磁波能量沿導(dǎo)線方向傳輸，通常稱其為導(dǎo)波系統(tǒng)，各種結(jié)構(gòu)形成的導(dǎo)線實(shí)際上就是各種不同的導(dǎo)波系統(tǒng)。當(dāng)導(dǎo)體的電導(dǎo)率為有限值時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)體中的功率全部被導(dǎo)體吸收，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體中的內(nèi)能。

非接觸電能傳輸技術(shù)實(shí)際上就是不使用導(dǎo)線形式的導(dǎo)波系統(tǒng)的電磁場能量定向傳輸技術(shù)。根據(jù)坡印廷矢量［36］有，電磁場的能流密度為電場強(qiáng)度E與磁場強(qiáng)度H的矢量乘積，表示單位時(shí)間通過垂直單位面積的能量，即

由式（1）不難看出，電磁場能量的傳輸是電場和磁場的相互作用的結(jié)果，可以采用引導(dǎo)電場的導(dǎo)波系統(tǒng)傳輸方式，也可以采用引導(dǎo)磁場的導(dǎo)波系統(tǒng)傳輸方式。

采用引導(dǎo)電場的導(dǎo)波系統(tǒng)的非接觸電能傳輸方式主要是基于電場的容性供電方式。采用引導(dǎo)磁場的導(dǎo)波系統(tǒng)的非接觸電能傳輸方式按照載波頻率可分為：采用電磁感應(yīng)原理的近場耦合方式、以微波為載體的電能傳輸方式和以激光為載體的電能傳輸方式。

圖1 基于電場的容性電能傳輸方式原理Fig.1 Principle of capacitive power transmission mode based on electric field

2.2 基于電場的容性電能傳輸方式

基于電場的容性電能傳輸方式主要采用電荷“同性相斥，異性相吸”的原理，工作原理如圖1所示。電能發(fā)射端的金屬板帶正電荷時(shí)，在電能接收端的金屬板感應(yīng)出負(fù)電荷；發(fā)射端的金屬板帶負(fù)電荷時(shí)，在電能接收端的金屬板感應(yīng)出正電荷。當(dāng)發(fā)射端的金屬板連接高頻交流電時(shí)，就不斷地在電能接收端的金屬板感應(yīng)出極性相反的電荷，進(jìn)而產(chǎn)生電流。宏觀的結(jié)果是高頻交流電通過了發(fā)射端和接收端的金屬板空隙，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。

該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以穿透金屬進(jìn)行電能的無線傳輸，在一些特殊的場合具有一定的優(yōu)勢［37,38］。 但是，該技術(shù)由于采用電容間的感應(yīng)傳輸電能，對電容的兩個(gè)感應(yīng)金屬板距離有極高的要求，傳輸距離極短，并且電容兩個(gè)感應(yīng)金屬板間細(xì)微的位移變化將引起整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，電能傳輸不穩(wěn)定甚至中斷傳輸［39］。另外，采用這種方式可能會引起周圍金屬的感應(yīng)，產(chǎn)生漏電。

2.3 采用電磁感應(yīng)原理的磁場耦合方式

電磁感應(yīng)非接觸電能傳輸方式利用電磁感應(yīng)的原理，通過高頻變化的磁場進(jìn)行能量的非接觸傳輸。雖然高頻變化的磁場會產(chǎn)生一定的高頻變化的電場，產(chǎn)生一定的電磁波，但與微波電能傳輸方式不同，電磁感應(yīng)主要利用磁場在能量發(fā)射、接收兩端的感應(yīng)耦合器進(jìn)行能量交互，其頻率一般情況下也低于微波段頻率（300 MHz～300 GHz）。其工作原理示意如圖2所示。

圖2 采用電磁感應(yīng)原理的磁場耦合方式工作原理Fig.2 Principle of inductive contactless power transfer system

由圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)由能量發(fā)生側(cè)和能量接收側(cè)兩部分組成，這兩個(gè)部分在物理結(jié)構(gòu)上是相互分離的。

在能量發(fā)射端，為提高系統(tǒng)的電能傳輸效率和功率，必須向感應(yīng)耦合器中注入高頻交流電。典型的方式是交-直-交的變頻方式，50 Hz的工頻交流電經(jīng)過整流濾波得到直流電，然后經(jīng)過高頻逆變模塊轉(zhuǎn)變成高頻交流電。由于能量發(fā)射側(cè)和能量接收側(cè)的感應(yīng)耦合器之間的電磁耦合程度較低、漏感較大。為調(diào)節(jié)功率因數(shù)，必須加上補(bǔ)償模塊，采用LC諧振的方式使感應(yīng)耦合器于補(bǔ)償電容之間形成諧振。一方面，改善功率因數(shù)，降低了對電源的要求；另一方面，有利于形成磁場和電場的共振，提高傳輸效率和功率。

在能量接收端，將感應(yīng)耦合器感應(yīng)的高頻感生電動(dòng)勢經(jīng)過副邊補(bǔ)償、整流濾波后變換為直流電，通過斬波電路等直流功率調(diào)節(jié)裝置，將直流電調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)拇笮」┙o后續(xù)負(fù)載使用。

2.4 以微波為載體的電能傳輸方式

微波電能傳輸MPT（microwave power transmission）方式主要是將電能轉(zhuǎn)換為微波段的電磁波，由于微波波長短，在空氣介質(zhì)中定向性能好，能遠(yuǎn)距離地傳輸電能。其工作原理如圖3所示。

圖3 以微波為載體的電能傳輸方式原理Fig.3 Principle of power transmission mode using microwave as carrier

電能通過電磁波發(fā)生器轉(zhuǎn)換為電磁波，電磁波通過發(fā)射天線進(jìn)行定向傳輸。由于低頻電磁波在空間中較易發(fā)散，在經(jīng)過一段距離后，能量的耗散損失較大；而高頻電磁波（微波）在空間中定向性能好，不易發(fā)散，能在較長的距離保持收斂。故一般情況下，采用微波頻段進(jìn)行長距離電能傳輸。微波在空間中受一定損耗后，被接收電線接收，經(jīng)過電磁波/電能轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換為電能。

采用以微波為載體的電能傳輸方式能實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離的電能傳輸，但穿過障礙物的能力不強(qiáng)，且對傳輸電能的路徑上會產(chǎn)生電磁兼容問題，影響電能傳輸路徑上的電氣設(shè)備正常工作。更嚴(yán)重的會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，影響人的正常生理機(jī)能。采用該方案的無線電能傳輸方式主要應(yīng)用于一些鋪設(shè)有線線路比較困難的特殊場合。如為無人機(jī)遠(yuǎn)距離供電、衛(wèi)星空間發(fā)電站向地球的電能傳輸?shù)取?/p>

2.5 以激光為載體的電能傳輸方式

采用激光為載體的無線電能傳輸方式與采用微波為載體的方式原理相同，但激光的頻率更高，高達(dá)384 600～789 500 GHz。由于波長比微波更短，方向性更好，經(jīng)過長距離傳輸后仍然能保持光束集中，且光束容易對焦，傳輸路徑可控，適合大范圍、遠(yuǎn)距離無線能量傳輸。但同時(shí)其穿透性能差，易受中間介質(zhì)的影響，塵霧會嚴(yán)重影響激光的傳播。由于光束方向性好、能量集中，在激光的傳播路徑上非常危險(xiǎn)，容易被激光燒蝕，不適合在有生物活動(dòng)的區(qū)域使用。

此外，目前電能到激光、激光到電能的轉(zhuǎn)換效率非常低，采用激光為載體的電能傳輸方式能量傳輸效率目前還有待進(jìn)一步提升。

2.6 磁共振式CPT技術(shù)與ICPT技術(shù)的關(guān)系

以上述2007年MIT的Marin Soljacic發(fā)表在《Science》上的文章為標(biāo)志，磁共振（magnetic resonance）技術(shù)由于能實(shí)現(xiàn)3倍線圈尺寸的電能無線傳輸，引爆了媒體的報(bào)道熱情，大量的科研工作者投入該技術(shù)的研究。

許多科研人員將采用磁共振技術(shù)的電能傳輸方式與采用電磁感應(yīng)原理方式并列，認(rèn)為磁共振是一種新的技術(shù)，應(yīng)當(dāng)與本文所述的4種非接觸供電方式并列，形成5種非接觸供電方式的分類。

但通過使用等效電路的理論分析其工作原理，采用磁共振技術(shù)的非接觸電能傳輸技術(shù)在原理上與采用電磁感應(yīng)原理方式是一致的。前者并不是一個(gè)新的概念，只是后者在磁場耦合系數(shù)極低而采用極高電路品質(zhì)因數(shù)Q時(shí)的一種工作方式，通過極高的品質(zhì)因數(shù)Q來補(bǔ)償極低的磁場耦合系數(shù)。以Marin Soljacic的方案為例，采用磁共振技術(shù)的非接觸電能傳輸方式工作原理如圖4所示。

圖4 采用磁共振技術(shù)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of magnetic resonance contactless power transfer system

Sanghoon Cheon等［40］給出了Marin Soljacic等的裝置等效電路，如圖5所示。通過分析等效電路，其電能發(fā)射端等效輸入阻抗可表示為

圖5 采用磁共振技術(shù)的非接觸電能傳輸裝置等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the magnetic resonance contactless power transfer system

式中：ω0為諧振角頻率；Cp為電源側(cè)線圈的等效寄生電容；Lp為電源側(cè)線圈的等效電感；Cp為負(fù)載側(cè)線圈的等效寄生電容；Lp為負(fù)載側(cè)線圈的等效電感；KPS為電源線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)；KRD為負(fù)載線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)；KSR為發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)；Z0為負(fù)載阻抗；Z1為電源內(nèi)阻抗。其中，

若能調(diào)節(jié)KPS、KRD、KSR滿足

則采用磁共振式CPT技術(shù)的電能發(fā)射端等效阻抗可簡化為

由于CP極小，忽略jωCp分量后，采用磁共振式CPT技術(shù)的電能發(fā)射端等效阻抗完全簡化為Z0，說明只要滿足式（5）即可完成整個(gè)裝置的阻抗匹配。若忽略線圈電阻及電力電子器件損耗，理論上能實(shí)現(xiàn)100%的能量傳輸效率。但該效率僅僅是電能的非接觸傳輸效率，為達(dá)到令人滿意的效果，采用該技術(shù)必須使用至少10 MHz頻率的交流電?，F(xiàn)有該頻率的DC-AC的轉(zhuǎn)換效率較低，造成了雖然電能在非接觸傳輸效率較高，但整機(jī)效率較低的困境。Marin Soljacic雖然聲稱耦合效率在1 m距離時(shí)電能傳輸效率高達(dá) 85%、2 m距離時(shí)傳輸效率約40%，但整機(jī)效率卻只有15%，離實(shí)用化還有很長一段距離。

從上述分析可見，磁共振技術(shù)是利用了極高的品質(zhì)因數(shù)Q來補(bǔ)償了極低的磁場耦合系數(shù)，與采用電磁感應(yīng)原理的非接觸供電傳輸方式在原理上一致，故不贊成將磁共振技術(shù)與本文上述的4種非接觸供電方式并列，形成5種非接觸供電方式的分類。由于使用的原理相同，采用的電流頻率段相近，故將采用磁共振技術(shù)的非接觸電能傳輸方式歸并到采用電磁感應(yīng)原理的非接觸電能傳輸方式。

綜上所述，非接觸供電的方式主要有4種：①基于電場的容性供電方式；②采用電磁感應(yīng)原理的近場耦合方式；③以微波為載體的電能傳輸方式；④以激光為載體的電能傳輸方式。每種方式都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有其適用的場合。

3 ICPT技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

著重介紹采用電磁感應(yīng)原理磁場耦合方式的非接觸電能傳輸?shù)募夹g(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，并論述現(xiàn)有的主要關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 高效耦合器設(shè)計(jì)技術(shù)

采用導(dǎo)線等接觸式的導(dǎo)波系統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)通過導(dǎo)波系統(tǒng)（如導(dǎo)線，波導(dǎo)管）將電場吸附在導(dǎo)波系統(tǒng)上，進(jìn)而使得磁場也被吸附在導(dǎo)波系統(tǒng)周圍空間，最終實(shí)現(xiàn)了電磁場極為高效地沿導(dǎo)波系統(tǒng)定向傳輸。若ICPT系統(tǒng)也具有定向的引導(dǎo)電磁場能力，則ICPT系統(tǒng)將獲取與導(dǎo)線形式的接觸式電能傳輸系統(tǒng)一樣的電能傳輸能力。

由式（1）可以看出，定向引導(dǎo)電磁場主要有3種形式：一是通過引導(dǎo)電場，像接觸式電能傳輸系統(tǒng)那樣實(shí)現(xiàn)電磁場定向傳輸；二是通過引導(dǎo)磁場，實(shí)現(xiàn)電磁場的定向傳輸；三是同時(shí)引導(dǎo)電場和磁場?；陔妶龅娜菪訡PT系統(tǒng)主要采用第1種形式，以微波、激光為載體的CPT系統(tǒng)主要采用第3種形式，ICPT系統(tǒng)主要采用第2種形式。然而，磁場在磁介質(zhì)中傳播是擴(kuò)散的，很難將磁場聚焦成束進(jìn)行定向傳播，這造成了目前ICPT系統(tǒng)最大的技術(shù)瓶頸，即耦合器耦合系數(shù)偏低問題。耦合器的耦合系數(shù)低，導(dǎo)致電磁場能量傳遞過程中阻礙大，限制能量傳輸功率及效率。

耦合器耦合系數(shù)偏低問題是ICPT技術(shù)中的首要技術(shù)難點(diǎn)，其他技術(shù)難點(diǎn)都可在該瓶頸無法有效突破時(shí)采取其他彌補(bǔ)措施，如為增強(qiáng)耦合器耦合能力需要產(chǎn)生高頻交流電技術(shù)；為減小耦合器輸入端VA容量電能發(fā)射端需要采用功率因數(shù)校正技術(shù)；為補(bǔ)償耦合器耦合系數(shù)不穩(wěn)定電能接收端需要采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及抗擾動(dòng)技術(shù)。

現(xiàn)有的耦合器主要形式有：①單線圈結(jié)構(gòu)耦合器，如空心線圈式結(jié)構(gòu)、有鐵芯松耦合變壓器式結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，其中空心線圈式耦合器又可分為平面線圈式和螺旋線圈式；②多耦合器復(fù)合結(jié)構(gòu)，如磁共振經(jīng)典4線圈結(jié)構(gòu)、中繼線圈結(jié)構(gòu)、多層線圈重疊結(jié)構(gòu)等。耦合器設(shè)計(jì)主要解決2個(gè)問題：一是提高耦合器耦合系數(shù)，二是解決耦合器微小相對位移造成的耦合器耦合系數(shù)大范圍變化問題。前者主要是增強(qiáng)耦合器無相對位移時(shí)的電能傳輸功率及效率，后者主要是解決耦合器之間的穩(wěn)定性問題。對復(fù)合線圈的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合線圈無論在提高耦合器耦合系數(shù)方面還是解決耦合器穩(wěn)定問題都比單線圈有更多的優(yōu)勢。

圖6 現(xiàn)有單線圈耦合器主要形式Fig.6 Main forms of single coil coupler

圖7 現(xiàn)有多耦合器復(fù)合結(jié)構(gòu)主要形式Fig.7 Main forms of the existing multi coupler structure

對于單線圈結(jié)構(gòu)，Low［41］研究了松耦合可分離變壓器式耦合器氣隙、水平位移對耦合系數(shù)的影響；曹玲玲等［42］對松耦合變壓器繞線形式對耦合系數(shù)的影響，采用磁路定性的分析了提供耦合系數(shù)的方法，并對松耦合變壓器磁場進(jìn)行了有限元仿真；孫躍等［43］研究了有鐵芯松耦合變壓器式和導(dǎo)軌拾取方向?qū)︸詈舷禂?shù)的影響。在多耦合器復(fù)合式結(jié)構(gòu)方面，Jolani等［44］研究了陣列耦合器，與同尺寸的單線圈結(jié)構(gòu)耦合器進(jìn)行了對比，對比結(jié)果顯示多耦合器復(fù)合結(jié)構(gòu)在傳輸效率方面有較大的優(yōu)勢；Oodachi等［45］提出了在異相激勵(lì)模式下增大電能發(fā)射端陣列耦合器耦合系數(shù)的方法；RamRakhyani等［46］研究了多中繼線圈情況下的耦合器中等距離的傳輸效率和功率，分別分析了單耦合器結(jié)構(gòu)和多耦合器復(fù)合結(jié)構(gòu)增加中繼線圈的效果，驗(yàn)證了增加中繼線圈可以提高耦合效率的設(shè)想。

3.2 電能發(fā)射端高頻交流電產(chǎn)生技術(shù)

由于耦合器耦合系數(shù)較低，采用工頻交流電難以在電能接收端感應(yīng)出理想電壓。電能接收端感應(yīng)電壓與耦合系數(shù)M、電流頻率ω、電能發(fā)射端電源電壓U成正比，與電能發(fā)射端輸入阻抗Zin成反比。提高耦合器的共振頻率可以在耦合系數(shù)不變的情況下提高電能接收端的感應(yīng)電壓。因而產(chǎn)生了電能發(fā)射端對交流電高頻化的需求。

目前，產(chǎn)生高頻交流電的方式主要有3種：一是采用LC振蕩電路，如Kurs等［22］所使用的方案，該方法由于調(diào)節(jié)震蕩頻率需要調(diào)節(jié)LC電路元件參數(shù)，操作較為復(fù)雜，且轉(zhuǎn)換效率較低，采用該方案的較少。二是采用電力電子逆變電路，如圖8所示典型的全橋逆變電路。但由于目前電力電子器件本身限制，所能實(shí)現(xiàn)的頻率大部分是kHz級別，很難實(shí)現(xiàn)高效的大功率MHz電流逆變。三是采用無線通信領(lǐng)域的功率放大電路，如圖9、圖10所示D類、E類功率放大器。Peter Wambsganss等［47］研究了D類功率放大器的損耗問題；Zhen［41］采用E類放大器實(shí)現(xiàn)了高頻功率交流電的獲取。采用功率放大技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)MHz等級的高頻交流電獲取，可以達(dá)到工業(yè)科研醫(yī)療使用的13.56 MHz頻段ISM（industrial,scientific and medical）。但采用該方案缺點(diǎn)也十分明顯，電路的品質(zhì)因數(shù)Q過高，電路參數(shù)的微小擾動(dòng)將使整個(gè)非接觸電能傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的波動(dòng)，很難控制電路始終工作在共振頻率，并且由于ISM頻段可使用的頻率調(diào)節(jié)范圍只有13.56 MHz±7 kHz，可控調(diào)節(jié)的頻率范圍十分狹小。

3.3 電能發(fā)射端功率因數(shù)校正技術(shù)

采用電磁感應(yīng)原理方式由于其耦合器間的互感系數(shù)較低。若不采用補(bǔ)償?shù)姆椒?，其電能發(fā)射端和接收端的VA值很高，而有效值非常低。加之耦合器通過高頻電流，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)使得耦合線圈電阻增大，進(jìn)一步降低了非接觸供電的傳輸功率和效率。所以，現(xiàn)有方案均采用了補(bǔ)償器件在耦合器電流輸入、輸出端進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)整功率因數(shù)。圖11為最基本的4種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅采用一個(gè)電容器件，按照一次側(cè)（電能發(fā)射端）和二次側(cè)（電能接收端）電容的串并聯(lián)關(guān)系，可以分為串—串（SS）、串—并（S－P）、并—串（P－S）和并—并（P－P）4種最基本的結(jié)構(gòu)。

圖8 全橋逆變電路Fig.8 Full bridge inverter circuit

圖9 D類放大器Fig.9 Class D amplifier

圖10 E類放大器Fig.10 Class E amplifier

圖11 只采用1個(gè)電容的4種基本補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Four basic compensation topologies using one capacitor

按照采用的無功器件個(gè)數(shù)，可以分為1階補(bǔ)償、2階補(bǔ)償、3階補(bǔ)償?shù)取?/p>

1階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)即為圖4所示的4種基本補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即只采用1個(gè)電容器件的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［16］詳細(xì)分析了這4種基本結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［48］給出了這4種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)補(bǔ)償電容的參數(shù)計(jì)算方法。2階補(bǔ)償?shù)囊话悴捎玫氖荓C補(bǔ)償結(jié)構(gòu)?？紤]其排列組合形式，共6種不同的結(jié)構(gòu)。Yang［49］、Pantic［50］等詳細(xì)研究了這6種結(jié)構(gòu)，其中一種串—并聯(lián)形式的LC組合結(jié)構(gòu)在非接觸供電中效果最好，如圖12所示。該結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用于文獻(xiàn)［6］中的非接觸電能傳輸系統(tǒng)具有良好的效果外，還被廣泛的應(yīng)用于電磁加熱領(lǐng)域［51］。LC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中電感L和電容C作用主要有2個(gè)：與耦合線圈一起形成諧振，傳輸指定頻率的電流；過濾諧振頻率的高次諧波，將逆變器輸入的方波信號轉(zhuǎn)化為近似的正弦波信號，便于耦合器間形成平滑的感應(yīng)電壓電流，同時(shí)有利于減少其他頻率的電磁干擾。該結(jié)構(gòu)可以工作在連續(xù)模式［51］和斷續(xù)模式［6］兩種模式下。文獻(xiàn)［5,52］分析了該結(jié)構(gòu)的連續(xù)輸出條件、連續(xù)斷續(xù)輸入模式的穩(wěn)態(tài)特性。

圖12 LC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)Fig.12 LC compensation structure

圖13 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)Fig.13 LCC compensation structure

一般情況下1階、2階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以滿足大多數(shù)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的要求，但若實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的單發(fā)射器對多接收器非接觸供電系統(tǒng)或者負(fù)載阻抗在供電過程中經(jīng)常發(fā)生變化時(shí)，1階、2階結(jié)構(gòu)提供的設(shè)計(jì)自由度難以滿足需求。所以需要引入3階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，提供更多的設(shè)計(jì)自由度。3階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形式眾多，如圖13所示的LCC結(jié)構(gòu)，因能提供電能發(fā)射端與電能接收端阻抗的解耦，極大地方便了電能發(fā)射端電路的設(shè)計(jì)，并被大量研究［53-55］。文獻(xiàn)［55,56］采用經(jīng)典零相角ZPA（zero phase angle）設(shè)計(jì)方法對LCC補(bǔ)償電路參數(shù)進(jìn)行了分析。但是，由于非接觸供電輸入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的一般是直流逆變的方波信號，而ZPA的分析基于正弦波，雖然很多研究者使用傅里葉級數(shù)分解的方法展開方波得到正弦波，用基波近似代替方波來使用ZPA方法對LCC電路參數(shù)進(jìn)行分析，但由于奇數(shù)諧波總和仍然非常高，使得使用ZPA方法得到的LCC電路參數(shù)在實(shí)際中難以達(dá)到真正的零相角目標(biāo)。鑒于奇數(shù)次諧波引起的逆變模塊開關(guān)損耗問題，Pantic Zeljko［57］、高鍵鑫［58］等提出了一種零電流開關(guān)ZCS（zero current switching）LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算方法，考慮了方波中的諧波影響。由于忽略了逆變模塊輸出電壓電流的相角差，以及在計(jì)算過程中采用歐拉級數(shù)對諧波之和做了近似處理，其所提出的算法仍然不能實(shí)現(xiàn)真正的逆變模塊開斷瞬間零電流。但與其他LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算算法相比，仍然具有一定的優(yōu)勢和借鑒意義。

3.4 電能接收端主動(dòng)調(diào)諧及抗擾動(dòng)技術(shù)

由于耦合器耦合系數(shù)不穩(wěn)定問題及采用諧振電路造成微小擾動(dòng)放大問題，電能接收端感應(yīng)電壓變化范圍較大，不能整流后直接給負(fù)載供電，必須對感應(yīng)電壓或電流進(jìn)行調(diào)節(jié)后再給負(fù)載供電。此外，由于感應(yīng)的電壓值或電流值與電能接收端阻抗相關(guān)，電能接收端可以采用主動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，改變自身阻抗、共振頻率調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓電流。

圖14 多電容庫動(dòng)態(tài)接入技術(shù)原理Fig.14 Principle of multi capacitor bank dynamic access technology

目前主動(dòng)調(diào)諧技術(shù)主要有采用多電容庫動(dòng)態(tài)接入技術(shù)［6,16］、采用移相可控電感器調(diào)節(jié)技術(shù)［9,58,59］、采用磁放大器調(diào)節(jié)技術(shù)［60,61］、幾何控制技術(shù)［62］、共振頻率調(diào)控技術(shù)等。采用多電容庫動(dòng)態(tài)接入技術(shù)原理如圖14所示，采用多個(gè)電容并聯(lián)電能接收端耦合器，通過控制器控制電容的接入與斷開，進(jìn)而調(diào)節(jié)電能接收端的阻抗值，實(shí)現(xiàn)一定范圍的電能調(diào)節(jié)。電容值采用二進(jìn)制方案［63］，盡可能使用較少的電容實(shí)現(xiàn)較多的電容值組合。該方案存在的問題較多，在接入斷開電容時(shí)電路無法調(diào)節(jié)電壓電流，可能造成負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)無電能供應(yīng)或供應(yīng)電能達(dá)不到負(fù)載要求的情況，文獻(xiàn)［63］所提方案中在電容切換過程中存在接近5 s的控制真空區(qū)，該方案難以適用于負(fù)載阻抗頻繁變化的場合。此外，最佳的控制電容接入斷開時(shí)機(jī)還需要了解負(fù)載的阻抗變化特性，否則可能會造成頻繁接入斷開電容的情況發(fā)生。

Nakamura［59］、Hu［9］、楊民生［48］等從控制電能接收端電感出發(fā)，采用移相可控電感器調(diào)節(jié)技術(shù)來調(diào)節(jié)電路的阻抗值，進(jìn)而調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓電流。該方案原理如圖15所示，另一種形式的移相可控電感如圖16所示。該技術(shù)通過控制電力電子開關(guān)導(dǎo)通角α來控制對外電路表現(xiàn)出來的等效電感Leq1、Leq2，即

采用磁放大器調(diào)節(jié)技術(shù)主要采用直流電流控制鐵芯磁化程度，進(jìn)而控制交流繞組的電感。圖17為采用磁放大調(diào)節(jié)技術(shù)原理［60,61］。其控制方法與采用電力電子器件的移相可控電感器相同，都是控制電能接收端電感，實(shí)現(xiàn)電能接收端的感應(yīng)電壓電流的控制。采用該方法優(yōu)點(diǎn)是減少了電力電子器件，使用的元器件數(shù)量少。但同時(shí)也存在許多缺點(diǎn)，如電感調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢，存在滯后現(xiàn)象；控制磁放大器直流程序復(fù)雜；磁放大器體積大；工作頻率較低等。

圖15 采用移相可控電感器調(diào)節(jié)電路阻抗值原理（1）Fig.15 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using phase shifting controllable inductor（1）

圖16 采用移相可控電感器調(diào)節(jié)電路阻抗值原理（2）Fig.16 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using phase shifting controllable inductor（2）

除上述主動(dòng)調(diào)諧技術(shù)外，文獻(xiàn)［64］提出了采用控制耦合器方向調(diào)節(jié)耦合系數(shù)來實(shí)現(xiàn)電能接收端的主動(dòng)調(diào)諧。工作時(shí)通過調(diào)整電能接收端的耦合器耦合方向，當(dāng)偏離電能發(fā)射端軸向方向時(shí)，耦合器耦合系數(shù)降低，靠近電能發(fā)射端軸向方向時(shí)，耦合器耦合系數(shù)增高。采用此方案是以犧牲耦合系數(shù)為代價(jià)的，僅適用于對傳輸效率要求較低的小功率場合。文獻(xiàn)［9,10］提出采用電力電子開關(guān)控制的電容或電感，刻意使電能接收端失調(diào)，不工作在共振頻率，采用調(diào)整電路工作頻率的方法，穩(wěn)定電能接收端的感應(yīng)電壓。當(dāng)電能接收端感應(yīng)電壓低于額定值時(shí)，調(diào)整電路工作頻率靠近共振頻率。反之，則調(diào)整電路工作頻率遠(yuǎn)離共振頻率。采用該方案與上述的控制耦合器方向方案思路相同，都是以犧牲電能傳輸效率為代價(jià)，其調(diào)整范圍較為有限。此外，采用此方法會將電能接收端的電抗反射到電能發(fā)射端，引起電能發(fā)射端的功率因數(shù)降低，增加損耗。

圖17 采用磁放大器調(diào)節(jié)電路阻抗原理Fig.17 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using the magnetic amplifier

4 結(jié)語

本文回顧了ICPT技術(shù)的研究歷程，從電能傳輸本質(zhì)出發(fā)，分析了非接觸電能傳輸技術(shù)的理論基礎(chǔ)及分類標(biāo)準(zhǔn)。將非接觸電能傳輸技術(shù)按實(shí)現(xiàn)原理分為4類，將磁共振式CPT技術(shù)歸入ICPT技術(shù)分類。分析了ICPT技術(shù)的難點(diǎn)，指出ICPT技術(shù)的主要技術(shù)問題是耦合器耦合系數(shù)低問題，其他問題的產(chǎn)生都是該問題無法解決時(shí)采用彌補(bǔ)技術(shù)而產(chǎn)生的問題，并系統(tǒng)性地總結(jié)了ICPT技術(shù)的主要關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)有解決方案。

大功率非接觸電能傳輸是人類長久以來的美好夢想之一，許多科研工作者在追逐這美好夢想的道路上前赴后繼。既有階段性的成果的喜悅，也有設(shè)想破滅時(shí)的低沉。縱使荊棘載途，也難以阻擋人們的激情，可以預(yù)期離夢想實(shí)現(xiàn)指日可待。

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高鍵鑫

謝佳季

作者簡介：

謝佳季（1992－），男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：14121484@ bjtu.edu.cn。

游小杰（1964－），男，博士后，教授，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：xj you@bjtu.edu.cn。

郭希錚（1981－），男，通信作者，博士后，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：xzhguo@bjtu.edu.cn。

武晶晶（1992－），女，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：151214 86@ bjtu.edu.cn。

李志堅(jiān)（1993－），男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：161260 36@ bjtu.edu.cn。

Review on Inductive Contactless Power Transfer Technology

GAO Jianxin,WU Xusheng,GAO Wei,LI Guangyi
（Department of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

Contactless power transfer（CPT）technology can make electrical equipment get rid of the shackles of wires, can greatly expand the scope of the electrical equipment,and enhance the safety performance of power supply in special environment.Aiming at the inductive contactless power transfer（ICPT）technology which is one of CPT technology widely used,firstly,the development of the ICPT technology is discussed.And then,using the Poynting vector theory,the principle of CPT technology is discussed.The existing CPT technology is classified according to the difference of the realization principle.The magnetic resonance contactless power transfer（MRCPT）technology is classified into ICPT technology.The main technical difficulties of ICPT technology are analyzed systematically.It is pointed out that the low coupling coefficient of coupler is the key technical problem of ICPT technology,and the other problems are caused by this problem.Finally,the key technologies of ICPT system and the existing solutions are discussed.

contactless power transfer;magnetic coupling;resonance;wireless power transfer

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.166

TM 724

A

高鍵鑫（1989-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：大功率無線供電技術(shù)，E-mail：gaojianxin_cn@163.com。

吳旭升（1976-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力集成技術(shù)，E-mail：wuxusheng_hg@163.com。

高嵬（1980-），男，博士，研究方向：電機(jī)與電器，E-mail：depkin@163.com。

李廣義（1991-），男，博士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：530 785601@qq.com。

2016-11-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51507183）；海軍工程大學(xué)博士創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（4142C15H）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51507183）;Innovation Foundation of the Naval University of Engineering（4142C15H）