磁耦合双模无线电能传输系统研究

沈阳工业大学电气工程学院、沈阳工业大学（营口）工程技术研究院的研究人员刘晓明、徐叶飞等，在2015年第11期《电工技术学报》上撰文，磁耦合感应式无线电能传输（MCI-WPT）感应区域传输效率高，而磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）谐振区域传输效率高，为解决两者优势不可兼得的问题，提出磁耦合双模无线电能传输（MCB-WPT），引入转换开关组，实现磁耦合无线电能传输系统拓扑结构可控，使其可工作在MCI-WPT和MCR-WPT双模式下，在一定范围内，实现最佳能量传输。

建模分析MCI-WPT与MCR-WPT传输效率与传输距离的关系；提出MCB-WPT方案，建立其传输效率模型，并给出MCB-WPT系统设计方法和控制策略。实验证明，MCB-WPT在感应区域和谐振区域均可获得较高传输效率。

无线电能传输，作为一种新兴电能传输方式，具有隔离、防爆、防潮及防水等特性，利于自动化输电接口实现，常用于矿井、自动引导运输车AGV（AutomaticGuide Vehicle）、水下机器供电以及混合动力车充电等领域[1,2]，将成为未来能源互联网的重要组成部分。

无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中中继能量形式的不同，可分为磁（场）耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式和机械波耦合（超声波耦合）式。

磁耦合式无线电能传输因传输功率大、效率高，应用较为广泛[1,2]。其包括磁耦合感应式无线电能传输（Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer, MCI-WPT）和磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant WirelessPower Transfer, MCR-WPT）两种形式[2]。

文献[3-7]研究了MCI-WPT的传输原理、发射装置和接收装置的优化设计及系统控制方案。文献[8]率先提出MCR-WPT技术，隔空2 m点亮一个60 W灯泡。

文献[9,10]理论分析与实验证明：有且仅在谐振状态下，MCI-WPT系统和MCR-WPT系统具有最高传输效率与最大传输功率。文献[11]指出，在MCI-WPT系统中，随着互感系数增大，传输效率和功率均增大。

文献[12,13]研究表明，在MCR-WPT系统中，当互感系数增大到一定程度后，随互感系数进一步增大，传输效率反而降低。目前，国内外直接以传输距离为因变量分析WPT传输效率的研究少有报道，而多数研究在分析传输效率时仅结合互感系数变化。

在手机和可穿戴设备（如智能手环）等WPT充电过程中，发现采用MCI-WPT需要保持接收端紧贴发射端，以获得较高传输效率，一旦有异物（如一定厚度的卡通元素手机保护套）介入发射端与接收端，使得传输距离变长，传输效率将骤降。

相反，采用MCR-WPT技术虽可在较大传输距离下获得较高传输效率，但对于同一谐振线圈，当传输距离变近时传输效率却急剧下降。在固定发射端给底盘高低不同的电动汽车WPT充电过程和对运动对象无线供电过程中，均存在此类问题。

为此，提出磁耦合双模无线电能传输（Magnetically-Coupled Bi-module WirelessPower Transfer，MCB-WPT）概念：引入转换开关组，改变MCB-WPT系统拓扑，使其可工作在MCI-WPT和MCB-WPT双模式下，在一定范围内，实现最大效率能量传输，对比建模分析MCI-WPT、MCR-WPT和MCB-WPT，直接给出传输效率与传输距离的关系曲线以及MCB-WPT系统设计方法和控制策略。

图1 典型磁耦合感应式无线电能传输系统拓扑

图2 典型磁耦合谐振式无线电能传输系统拓扑

结论

建模分析传输距离对MCI-WPT和MCR-WPT传输效率的影响；提出MCB-WPT概念，建模分析，给出控制方法，并实验证明MCB-WPT可提高现有无线电能传输方式使用性能，解决了MCI-WPT感应区域传输效率高与MCR-WPT谐振区域传输效率高两优点不可兼得的问题。

建模分析结论除适用于指导MCB-WPT系统设计外，还适于一般MCI-WPT和MCR-WPT系统设计。