华南理工科研团队发表磁耦合无线电能传输系统拓扑发展的研究综述

　　近年来，多负载磁耦合无线电能传输技术已成为一个研究热点，其中系统拓扑是一个关键的研究内容，决定了该技术是否能够满足不同应用场景的需求。为此，华南理工大学电力学院的研究人员孙淑彬、张波、李建国、疏许健、荣超，在2022年第8期《电工技术学报》上撰文，对多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑进行梳理和分析。
　　研究人员首先将多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑进行分类，进而对单电容补偿型、高阶阻抗匹配型、多米诺结构型和多通道型等拓扑进行分析；接着，根据电源和发射线圈数量、补偿网络类型、系统构造方式和功率传输方法，分别介绍主要类型拓扑的工作原理、优缺点或适用场合；最后，提出多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑所面临的问题，并展望了未来发展趋势。
　　在无线充电车道上行驶的自主混合动力卡车车队Fleet of autonomous hybrid
　　基于磁场耦合式的无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术实现了能量的无线传输，帮助人们摆脱了电缆的束缚，给人类社会带来诸多便利。相比于单负载WPT技术，多负载WPT技术具有功率密度更大、激励源利用率更高和接收负载空间位置更自由等优势，成为近年来的研究热点。
　　然而由于负载的多样性和传输线圈之间存在磁场的交叉耦合等因素，多负载WPT技术面临诸多问题：①发射线圈或接收线圈之间的交叉耦合导致系统失谐造成系统性能恶化；②接收负载之间相互干扰导致控制策略复杂；③各个负载的接收功率难以按需分配使得该技术的实用化进展变缓；④系统的输出特性和传输性能对工作条件非常敏感，限制了该技术的应用；⑤增加传输线圈导致系统寄生电阻造成的损耗增加使发热问题突出。
　　尽管如此，该技术因其潜在的优势与应用前景依然得到了国内外研究学者的广泛关注，并开始被应用于便携式设备、智能家居、医疗器械和交通运输等领域。
　　业内学者从控制策略设计、逆变器优化、传输线圈设计、系统拓扑创新等方面对多负载WPT技术做了大量研究，加快了该技术走向实际应用的进程。其中系统拓扑的创新作为一个关键的研究内容，很大程度上决定了该技术能否适用于不同的应用场景。现有的单负载WPT拓扑经常成为多负载WPT拓扑创新的灵感来源，但与前者相比，后者的拓扑更加多样、理论分析更加复杂、优化难度更大。
　　经过十余年发展，多负载WPT技术在拓扑创新方面硕果累累。华南理工大学电力学院的研究人员从该角度对现有研究成果及其原理进行了梳理，提出了一种有效的分类方法，有助于给多负载WPT系统拓扑的相关研究提供参考。总体可将多负载WPT系统拓扑分为五大类，每一大类又可细分为多种小类，具体如图1所示。他们首先针对不同类型的WPT拓扑的机理和特性做详细阐述，然后指出多负载WPT系统拓扑面临的问题，最后展望未来的发展趋势。
　　图1 多负载磁耦合WPT系统拓扑分类
　　在拓扑方面，研究人员主要从阻抗匹配网络/补偿网络、发射侧与接收侧的电路关系、发射源等方面，对多负载磁耦合WPT拓扑进行改进，从而改善或解决特定问题。本研究所涉及的多负载WPT拓扑特性、优缺点及其适用场合总结见表1。
　　表1 多负载磁耦合WPT拓扑特性总结
　　抑制甚至消除交叉耦合干扰、实现接收功率的按需分配是多负载磁耦合WPT系统的重要问题，研究人员把现有拓扑所采用的解决方法总结如下：
　　1）为消除线圈间交叉耦合的影响，解决方式主要有线圈特殊设计、补偿电路调节、多通道传输。线圈设计主要依赖于线圈形状和屏蔽磁心的特殊设计与位置的垂直或远距离摆放，改善磁场分布进而抑制交叉耦合的影响；补偿电路调节通过改变电路等效阻抗，进而抵消交叉耦合变量；多通道传输利用多个不同频率传输能量，接收线圈电路的自然频率各不相同，从而减少了不同线圈间的交叉耦合。
　　2）实现功率分配的主要方式有等效负载阻抗调节与调频传输。等效负载阻抗调节需要在接收侧配置有源整流电路或升降压、降压等直流变换器，使用相关算法控制变换器从而获得最优的等效负载阻抗，以实现功率的按需分配。调频传输利用能量易流向相近自然频率接收电路的特性，使能量流向目标负载。
　　研究人员指出，为适应不同应用场景，多负载WPT技术涌现了许多不同类型的拓扑。他们对各类型多负载WPT拓扑潜在的应用前景进行了展望：
　　1）单电容补偿型：该类拓扑能构成发射线圈阵列并扩大有效工作范围，可应用于智能家居产品、物联网设施、传感器网络等，提高生活便捷程度。
　　2）高阶阻抗匹配型：该类拓扑可实现恒压/恒流输出与负载无关工作特性，同时系统工作频率较宽泛，可适用于电动汽车充电等电池动态充电场景。
　　3）多米诺结构型：该类拓扑有望实现长距离无线中继供电，可应用于矿井照明设施、地铁线路设备等场合，降低线缆铺设成本与维护难度。
　　4）多通道型：该类拓扑能为不同类型的负载同时进行无线充电，可应用于常见的消费电子产品（如智能手表、智能手机、蓝牙耳机等），构建统一通用的多智能设备无线充电平台。
　　他们接着表示，尽管目前已有众多研究成果，但多负载WPT拓扑仍然存在着系统整体效率不高、发热严重、占用空间过大、传输距离有限、接收负载位置自由度不足、功率分配不合理、接收侧互相干扰或输出对负载条件较为敏感等问题。
　　多负载WPT拓扑的发展，需进一步完善以下四个方面：
　　1）有源阻抗匹配网络的创新和完善。无源IMN能够实现负载无关的输出特性，但无法实现主动调节。现有的有源IMN一定程度上能够用于调节功率的合理分配、校正参数漂移或提高系统电压电流增益，但对工作条件的要求比较苛刻，且大多数只能牺牲其他需求而满足部分要求。因此，对有源IMN进一步探索，深入发挥其连续性调节的优势，挖掘其＂身兼多职＂的潜在能力，即令其同时满足多种需求，是未来的发展趋势之一。
　　2）系统兼容性的进一步提升。随着电子设备、电动工具、便携式医疗器械和电动汽车等产品的进一步普及，已形成多种WPT技术标准，且各个标准之间工作频率等设计指标大相径庭。采用混频交流源有助于兼容这些标准，但现有的研究成果依然存在系统频率的数量较少、只能涵盖个别标准的问题。需要进一步对混频交流源和发射器开展研究。
　　3）接收负载位置自由度的提高。目前多负载WPT技术的实际应用难以实现接收负载的远距离和任意角度的充电，平面发射阵列和三维发射线圈结构有利于改善这个问题，但依然受到充电功率、位置、角度和距离的限制。发明一种能够结合现有技术优点的新型发射线圈结构，以及控制算法的定位功能，或者基于新型WPT机理（如近年来出现的毫米波技术），进而实现接收负载的全方位快速充电，将会是未来的发展趋势之一。
　　4）系统性能如传输效率和整机效率的优化。由于高频条件下导线的寄生参数、功率器件的损耗，多负载WPT系统存在发热严重、参数漂移和效率不高等问题。然而，这些问题将随着超导材料和新型功率器件（如石墨烯、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等）的发展逐渐得到解决，新型高效的多负载WPT拓扑将被提出 ，相应技术将走向高性能化、小型化和高功率密度化应用。
　　本文编自2022年第8期《电工技术学报》，论文标题为＂多负载磁耦合无线电能传输系统的拓扑发展和分析＂。第一作者为孙淑彬，1994年生，硕士，研究方向为无线电能传输技术。通讯作者为张波，1962年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。本课题得到了国家自然科学基金重点资助项目的支持。