磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的關鍵:電磁耦合機構選型設計

無線電能傳輸技術因其獨特的傳輸優勢成為當下國內外研究的熱點課題，磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技術以其在近場區傳輸的自身優勢成為當前最為熱門的無線電能傳輸方式之一。

MCRWPT技術以能量諧振耦合原理通過高頻電磁場實現能量傳遞，由於傳輸能量的大小不僅取決於磁場的大小，還與磁場的變化率、頻率、磁感應強度、磁通密度等電磁參數有關，因此，諧振耦合係數是與諧振頻率、品質因數、自感大小和互感係數相關的函數。

在諧振匹配的狀態下MCRWPT系統可不受空間位置和障礙物影響而實現中距離無線電能傳輸。MCRWPT系統典型的工作原理如圖1所示，其中us為高頻逆變電源，C1為一次側諧振電路補償電容，C2為二次側電路補償電容，RL為二次側所接負載，一次側和二次側通過磁耦合諧振進行能量無線傳輸。

MCRWPT系統傳輸的電磁耦合機構設計決定系統的電磁耦合方式和能量傳輸形式，因此，電磁耦合機構選型設計是MCRWPT系統最為關鍵的部分之一。

圖1 典型MCRWPT工作原理

電磁耦合機構是MCRWPT系統能量傳輸的關鍵部分，根據不同的應用場景和應用需求，MCRWPT系統的電磁耦合機構可以設計為不同的形狀、結構和排列方式。

平面形線圈的磁感應強度由內到外依次減小，線圈中心磁感應強度最大。平面形線圈具有體積小、易於集成化、品質因數大和可植入性良好的優點，被廣泛應用於手機、計算機、可植入式醫療設備、電動汽車等設備的無線充電。圖2所示為典型的兩線圈結構平面盤式耦合線圈WPT系統。

基於平面形線圈可拓展多種適合其他應用場景的平面盤式和平面螺旋式線圈耦合結構。2013年東南大學電氣工程學院提出一種平面螺旋耦合機構優化設計方法，將耦合係數與衰減率和匝數設計相結合進行約束條件和設計目標優化，通過實驗驗證了這種優化設計可有效地提高WPT系統的傳輸效率，圖3所示為經過匝數優化設計WPT系統。

圖2 平面盤式耦合線圈WPT系統

2018年天津大學提出一種多耦合機構WPT系統，通過控制手段實現對二次側多負載設備進行充電，並通過調整電容陣列實現諧振匹配以保證系統始終工作在較高傳輸效率下，圖4所示為多線圈形式的平面螺旋線圈結構WPT系統。

2019年印度SRM科學技術研究所提出一種雙繞線型阿基米德螺旋線圈的自諧振WPT方法，利用高溫超導銅線圈在諧振頻率為25kHz下實現PTE為49.8%，圖5所示為雙繞線平面螺旋線圈。

圖3 匝數優化設計WPT系統

圖4 多線圈結構WPT系統

圖5 雙繞線平面盤式線圈

通過優化設計線圈結構、增加傳輸通道上的介質磁導率和改變線圈空間排列方式等方法能夠進一步提高耦合機構的耦合係數，從而提升傳輸效率。

2016年重慶大學提出一種U形排列方式的三線圈WPT系統，如圖6所示，與雙線圈對稱分布的耦合結構相比，U形排列方式可以使傳遞效率提高10倍以上，在同樣的傳輸功率和PTE情況下，線圈尺寸減小66%，通過實驗驗證U形排列方式不但提高了傳輸功率和PTE，而且保證了電能傳輸方向上的清潔。

2018年韓國延世大學設計的矩形平面盤式線圈通過串聯小線圈的方法實現了耦合機構的高品質因數和相對均勻的磁場分布如圖7所示。這種設計方案可以增強耦合機構的自由度並提高PTE，實驗結果表明，在50mm和300mm的傳輸距離下可以實現PTE分別為96%和39%。

2018年韓國高等科學技術學院提出一種在線圈周邊增加T形鐵氧體來增強耦合機構之間的互感係數從而增強系統的磁場強度系統如圖8所示。通過實驗驗證了當加入T形鐵氧體後互感係數增加了30.4%，並成功地實現了以71%的PTE傳輸205W的電能。

2018年北京航空航天大學提出一種矩形平面多迴路印製盤式線圈如圖9所示。多迴路技術應用多個不同大小的迴路，可以根據耦合機構之間距離調整耦合係數，通過實驗在100mm和250mm傳輸距離下實現的PTE分別為88.7%和46.2%。

圓柱形螺旋線圈邊緣磁場強度大於中心磁場強度，圓柱形螺旋線圈相較於平面形線圈的耦合係數和品質因數相對較低，但是通過改變排列方式、增加中繼線圈以及在線圈中心增加導磁介質等方式都可以提高線圈耦合係數和品質因數以適應不同應用場景，豐富了WPT系統應用範圍。

圖6 U形陣列線圈WPT系統

圖7 串接小線圈的矩形平面螺旋線圈

圖8 增加T形鐵氧體線圈結構的WPT系統

圖10所示為2007年MIT首次實現MCRWPT的成功實例，用兩個圓柱形螺旋線圈實現了在2m傳輸距離下以40%的PTE成功點亮了一盞60W燈泡。

2012年美國卡耐基梅隆大學提出一種適用於多負載場景的分布式多線圈WPT系統如圖11所示。圖中，心線圈為發射線圈，中間兩線圈為中繼線圈，遠端兩線圈為接收線圈，線圈中間分布4個小功率負載，電能傳輸過程中弱導電物體對系統電能傳輸影響較小，並通過實驗實現了在6.2ft（1ft= 0.304 8m）距離下為6個負載傳輸15mW功率電能。

2015年美國匹茲堡迪士尼研究中心通過在封閉金屬空間內分布多個圓柱形螺旋線圈，封閉式諧振腔多負載WPT系統如圖12所示。使整個封閉空間分布磁場，可以為空間內多個接收線圈同時提供電能，通過實驗實現了在140ft3（1ft3=0.028 316 8m3）的封閉空間內的任何位置為一個直徑為3in（1in= 0.025 4m）的接收線圈實現PTE超過50%的電能供應。

圖9 矩形平面印製多迴路螺旋線圈

圖10 MIT無線電能傳輸實驗裝置

圖11 分布式多線圈WPT系統

通過在傳輸通道上增加導磁介質可以降低漏磁，提升系統傳輸性能。2016年韓國高等科學技術研究院設計了一種六自由度多方向發射線圈，六自由度多線圈WPT系統如圖13所示。

通過將線圈繞制在導磁鐵芯上可以同時給不同方向多個接收線圈傳輸電能，由於發射線圈分布在不同位置和方向，因此在線圈周圍形成一個球狀磁場，可以為磁場範圍內多個接收線圈形成耦合實現電能傳輸，並通過實驗驗證了以最大PTE為33.6%的情況下傳輸100W的電功率，為多負載電能無線傳輸提供一個可行方案。

2019年河南師範大學提供一種新型鐵氧體鐵心的螺旋線圈WPT系統如圖14所示，與空芯螺旋線圈相比，系統傳輸功率平均提高了80%，在PTE為35%時，傳輸距離可以從10mm提高到34mm。

圖12 封閉式諧振腔多負載WPT系統

圖13 六自由度多線圈WPT系統

圖14 圓柱形鐵氧體鐵心螺旋線圈WPT

2019年天津大學提出一種帶長方體鐵心的雙線圈WPT系統如圖15所示，由於磁性材料的限制，系統的最大工作頻率應小於1MHz，若採用頻率更高、損耗更低的鐵氧體鐵心，可以進一步提高系統的傳輸性能。該系統有效地提高了電能傳輸的功率、效率和距離，通過實驗成功實現了將10.3W功率電能在20kHz工作頻率下傳輸7m的距離。

圖15 帶長方體鐵心的雙線圈WPT系統

本文編自2020年第20期《電工技術學報》，論文標題為「磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動態」，作者為賈金亮、閆曉強。