潘文璇，劉超，張藝明，毛行奎

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

相比于傳統(tǒng)的有線電能傳輸，無線電能傳輸WPT（wireless power transfer）可以有效避免火花和觸電等問題，在提升設備運行可靠性、安全性、便利性和延長使用壽命等方面具有相當優(yōu)勢，因此受到了廣泛關(guān)注[1-2]。WPT 按照傳輸媒介的不同，可以歸類為基于機械波的WPT 技術(shù)和基于電磁波的WPT技術(shù)，前者主要利用超聲波進行能量的無線傳輸[3]，后者可以分為基于遠場的WPT 技術(shù)和基于近場的WPT 技術(shù)，其中遠場WPT 技術(shù)包括微波WPT 技術(shù)[4]和激光WPT 技術(shù)[5]，近場WPT 技術(shù)可以分為磁場耦合式IPT（inductive power transfer）和電場耦合式CPT（capacitive power transfer）[6]?；陔姶挪ń鼒龅腤PT 技術(shù)，由于其傳輸功率相對較大、傳輸距離相對較遠和成本相對較低，得到了深入的理論研究和廣泛應用，技術(shù)最為成熟。

磁場耦合式WPT 技術(shù)利用磁場進行能量傳輸，其原理類似于可分離變壓器，流經(jīng)發(fā)射線圈的電流產(chǎn)生交變磁場，通過磁場耦合在接收線圈中感應出電流，實現(xiàn)能量的無線傳輸。磁場耦合式WPT技術(shù)傳輸距離遠，傳輸效率高，但同時也存在諸多問題：①為了減少鄰近效應和集膚效應的影響，一般采用高頻利茲線繞制線圈，還需要磁芯結(jié)構(gòu)和鋁板減少磁場泄露及避免外部干擾，材料成本高；②產(chǎn)生的高頻磁場會在金屬中產(chǎn)生渦流，造成能量損耗；③不具備穿透金屬傳播的能力；④耦合線圈偏移冗余度低，當線圈位置發(fā)生偏移，功率波動范圍大，并對電力電子變換器正常工作產(chǎn)生干擾，因此需要進行特殊的抗偏移設計[7-9]。

電場耦合式WPT 技術(shù)則是利用電場進行能量傳輸，在電源側(cè)和負載側(cè)添加金屬平板形成電容，在高頻交變電壓的激勵下，金屬平板間產(chǎn)生位移電流，從而實現(xiàn)能量的無線傳輸。電場耦合式WPT 技術(shù)能夠穿越金屬傳播，以高頻電場為媒介可以避免渦流損耗，采用鋁板作為耦合機構(gòu)，成本低、抗偏移能力強，但電場耦合式也存在傳輸距離短、泄露電場危害大的問題。為了延長傳輸距離，必須使用變壓器或補償網(wǎng)絡提高極板間電壓，電壓應力問題與電磁安全問題更加突出[10]。

磁場耦合式與電場耦合式WPT 技術(shù)都有各自的技術(shù)優(yōu)勢與應用局限，將二者結(jié)合起來，形成混合式無線電能傳輸技術(shù)HWPT（hybrid wireless power transfer），能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸性能的提升和應用領域的拓展。目前HWPT 技術(shù)已在電動汽車[11-16]、植入式醫(yī)療設備[17]、軌道交通[18-19]和消費電子[20-21]等領域有一定的研究成果。利用混合式無線電能傳輸技術(shù)電磁輻射小和偏移冗余度高的優(yōu)點可以制作全方向充電的植入式醫(yī)療設備；利用混合式優(yōu)秀的魯棒性，可以避免筆記本無線充電中由按壓引起的諧振頻率變化問題；利用混合式更優(yōu)秀的傳輸性能可以實現(xiàn)鐵路交通的動態(tài)充電和電動汽車的靜態(tài)充電。

電動汽車實現(xiàn)大功率靜態(tài)無線充電[22]，避免了大規(guī)模充電樁的建設，無需拔插操作，使電動汽車擺脫了電池容量有限和續(xù)航里程短的缺點，增強了市場競爭力[23]。同時能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)間能量的雙向流動，有利于電網(wǎng)的削峰填谷。典型的電動汽車無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括耦合機構(gòu)、補償網(wǎng)絡和電力電子變換器。

本文將從耦合機構(gòu)、補償網(wǎng)絡、電力電子變換器及其控制策略和傳輸水平對國內(nèi)外電動汽車混合耦合型無線充電的研究現(xiàn)狀展開論述，并指出目前亟待解決的問題以及未來的發(fā)展趨勢。

1 耦合機構(gòu)

圖1 非集成式耦合機構(gòu)Fig.1 Non-integrated coupling mechanism

通過合理設計可以將電感式耦合機構(gòu)和電容式耦合機構(gòu)集成，實現(xiàn)空間的高效利用，在同樣的空間占用情況下，有著更高的功率傳輸。同時要注意耦合線圈的連接方向，否則可能造成傳輸能量的相互抵消，降低系統(tǒng)傳輸效率。

各類集成式耦合機構(gòu)如圖2 所示。文獻[24]將電容極板放置在耦合線圈兩側(cè)，平面上有所層疊，如圖2（a）所示，不僅節(jié)省了空間，還能夠有效屏蔽磁場，減小電磁輻射的危害；文獻[25]將兩種耦合機構(gòu)集成于一對印刷電路板上，電容極板將耦合線圈包圍其中，如圖2（b）所示，空間布局更加緊湊，兩種耦合機構(gòu)的并聯(lián)運行可以在同等傳輸功率的前提下，減小回路電流，降低泄露電磁場的影響；文獻[26]在耦合極板中嵌入圓形平面螺旋線圈構(gòu)成混合耦合機構(gòu)，如圖2（c）所示，極板能夠在減少69.4%面積的同時，保留74.6%的耦合電容以及同等數(shù)值的傳輸效率，同時利用共同接地建立電場耦合，可以省去一對極板，大幅降低了裝置體積；文獻[15]提出了一種由細長條狀鋁板90°折疊延伸而成的集成耦合機構(gòu)，如圖2（d）所示，通過這一特殊結(jié)構(gòu)，增大極板的自感，實現(xiàn)磁場與電場的混合耦合。

圖2 各類集成式耦合機構(gòu)Fig.2 Various types of integrated coupling mechanisms

2 補償網(wǎng)絡

補償網(wǎng)絡的主要作用有：①補償耦合線圈自感或者耦合極板的電容，減少系統(tǒng)所需無功功率，提升功率因數(shù)和傳輸效率；②泵升耦合線圈電流或者電容極板電壓，滿足磁場和電場耦合傳輸?shù)男枰?；③實現(xiàn)不同的負載特性如恒壓源和恒流源等。

結(jié)合文獻[27]對HWPT 技術(shù)的劃分，按照補償網(wǎng)絡的不同，HWPT 技術(shù)可以分為采用相同諧振頻率共用一個補償網(wǎng)絡和采用不同諧振頻率補償網(wǎng)絡相互獨立的兩類。文獻[25]為了獲得輸出電流良好的開環(huán)增益，電場耦合分支與磁場耦合分支分別采用了不同的諧振網(wǎng)絡來補償，諧振頻率也不盡相同，如圖3（a）所示。共用一個補償網(wǎng)絡可以減少諧振元件，簡化電路設計復雜程度，另外磁場耦合需要接入電容補償，電場耦合則需要接入電感補償，因此不同耦合機構(gòu)間可以相互復用，文獻[13，16]中，耦合線圈和電容極板既用于電磁場耦合傳輸能量，也作為相互的補償元件而存在，電路結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。

圖3 HWPT 系統(tǒng)不同類型的補償網(wǎng)絡Fig.3 Different types of compensation networks for HWPT system

3 電力電子變換器及其控制策略

無線電能傳輸系統(tǒng)的正常運行需要將50 Hz的交流電變換為幾萬赫茲甚至上百萬赫茲，有2 種措施：一是兩級變換器級聯(lián)，先將交流電整流為直流電，再通過高頻逆變器變換為所需頻率；二是采用單級變換器，優(yōu)點是所需開關(guān)器件數(shù)量少，系統(tǒng)效率高，缺點是控制復雜。

控制策略方面，文獻[28]采用帶反饋控制的半橋逆變器，搭建了一種宇稱-時間-對稱模型的混合耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示：經(jīng)過反饋控制，系統(tǒng)在1.4 m的傳輸距離內(nèi)穩(wěn)定有77%的效率；而當距離增加到2 m時，系統(tǒng)傳輸效率維持在70%左右，實現(xiàn)了優(yōu)秀的魯棒性。

4 傳輸水平

表1 從補償網(wǎng)絡、耦合機構(gòu)規(guī)模、諧振頻率、傳輸功率、傳輸效率以及氣隙距離等方面總結(jié)了各類HWPT 系統(tǒng)所達到的傳輸水平，同時加入典型的IPT 和CPT 系統(tǒng)作為對照。由表1 中數(shù)據(jù)可知，目前HWPT 技術(shù)的研究大多集中于小功率的能量傳輸，諧振頻率在600～1 000 kHz的范圍內(nèi)，傳輸距離在10～30 cm之間，傳輸效率略低于傳統(tǒng)的磁場耦合式技術(shù)和電場耦合式技術(shù)，以耦合機構(gòu)的設計和補償網(wǎng)絡的優(yōu)化為主要研究方向。

（2）這石巨的媳婦張氏，天生也是個不賢惠的婦人，鄰舍街坊躲著他他還要尋上門去的主顧，他依你在他門首喬聲怪氣的惡罵？（明·西周生《醒世姻緣傳》第89回）

表1 不同耦合類型無線電能傳輸系統(tǒng)的比較Tab.1 Comparison among different coupling types of WPT systems

4.1 傳輸功率與傳輸距離

HWPT 系統(tǒng)在同等距離下有更高的傳輸效率，或者在同等傳輸效率下有更遠的傳輸距離。文獻[26]的實驗數(shù)據(jù)表明：當距離為20 cm時，HWPT 系統(tǒng)的傳輸效率為85.5%，IPT 系統(tǒng)單獨作用的傳輸效率為81.8%，兩者差距較小；而當距離增加到40 cm時，IPT 系統(tǒng)的傳輸效率為15.5%，HWPT 系統(tǒng)的傳輸效率為47.4%，同比提高了31.9%。CPT 系統(tǒng)的加入延長了傳輸距離，提高了傳輸效率。

4.2 抗偏移能力

文獻[16]對HWPT的抗偏移能力進行了一定研究，在氣隙距離保持不變的情況下，分別對混合耦合、磁場耦合單獨作用、電場耦合單獨作用在完全對準情況下和存在20 cm 偏移情況下的傳輸功率進行測量。結(jié)果表明，混合耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)在完全對準情況下有2.84 kW的傳輸功率，在20 cm 偏移下有1.35 kW，功率為對準情況下的47.54%；磁場耦合單獨作用，在完全對準下有1.95 kW的傳輸功率，在20 cm 偏移下有0.75 kW，功率為對準情況下的38.46%；電場耦合單獨作用，在完全對準下有0.86 kW的傳輸功率，在20 cm 偏移下有0.69 kW，功率為對準情況下的80.23%。由此看出，電場耦合的加入使得無線電能傳輸系統(tǒng)整體偏移容忍度有了較大提升。

4.3 電壓應力和電流應力

過高的電壓、電流應力會突破電磁安全限值，導致器件擊穿，增加材料成本，而混合耦合型可以減小電壓、電流應力。文獻[32]分別搭建了獨立的IPT、CPT 和HWPT 系統(tǒng)，在相同傳輸功率、相同電阻負載和相同耦合機構(gòu)參數(shù)的條件下，進行仿真并測量各元件承受的電壓、電流應力。實驗結(jié)果如表2 所示，其中ULp和ULs為傳輸線圈自感兩端的電壓，UCp和UCs為補償電容兩端的電壓，UCM為極板等效電容的電壓，ILp、ILs、ICp、ICs和ICM為對應的電流。CPT 系統(tǒng)中元件的電壓、電流應力最高，為其他兩者的7 倍以上，HWPT 系統(tǒng)的最低，具有更高的系統(tǒng)容量，更安全。

表2 無線電能傳輸系統(tǒng)中各元件的電壓、電流應力Tab.2 Voltage stress and current stress of components in WPT system

4.4 功能互補與功能拓展

4.4.1 穿透金屬

文獻[33]將金屬障礙物作為耦合機構(gòu)回路的一部分，如圖4 所示。能量首先由發(fā)射極板通過電場耦合傳輸?shù)浇饘賹又?，并在金屬層中形成交變的位移電流，此時金屬層可以看作傳輸線圈的原邊，與帶有磁芯的多匝接收線圈相耦合。最后通過搭建實驗裝置驗證了可行性，并以超過11 W的功率實現(xiàn)穿透2 mm 鋁板的能量傳輸。

圖4 可穿透金屬的磁場與電場混合耦合機構(gòu)Fig.4 Inductively and capacitively hybrid coupling mechanism,which can penetrate metals

4.4.2 功率數(shù)據(jù)的并行傳輸

一般IPT 系統(tǒng)實現(xiàn)功率與數(shù)據(jù)的并行傳輸有2種方法：一是對功率波形進行調(diào)制，通過功率耦合線圈傳輸；二是增加一對耦合線圈用于數(shù)據(jù)傳輸。但都存在些許不足，前者需要設計特定的帶通濾波器，同時數(shù)據(jù)的傳輸可能會影響功率傳輸性能；后者則增加了無線電能傳輸系統(tǒng)的體積與成本。文獻[12]提出一種利用耦合線圈的寄生電容與金屬極板作為CPT系統(tǒng)來構(gòu)建數(shù)據(jù)并行傳輸通道的結(jié)構(gòu)，不再需要額外的耦合線圈，同時所需的帶通濾波器也易于設計，兼具空間偏移冗余度大的優(yōu)點。

4.4.3 抑制頻率分裂

磁場耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)在傳輸距離減小時，耦合系數(shù)變化，會產(chǎn)生頻率分裂現(xiàn)象。文獻[34]引入電場耦合，設計了一種混合耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)。隨著距離的減小，2 種耦合系數(shù)同步增大，利用IPT 和CPT 非同相的特點使其相互抵消，保持整體耦合強度無變化，從而抑制了頻率分裂。當距離縮短時，傳統(tǒng)IPT 系統(tǒng)的功率從95%降低至20%，而混合耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)依然可以保持75%以上的功率。

5 存在的問題與發(fā)展趨勢

5.1 電磁安全問題

根據(jù)ICNIRP 2010[35]和IEEE C95.1 標準[36]，磁場公共暴露限制為27 μT，電場的安全閾值為614 V/m。文獻[14]的實驗中設計的耦合機構(gòu)磁場安全距離為600 mm，電場安全距離為700 mm。因此需要設計合理的屏蔽裝置來減小泄露電磁場的影響，縮短安全距離。目前電磁屏蔽的手段可以分為主動屏蔽和被動屏蔽兩類：主動屏蔽通過產(chǎn)生抵消電磁場實現(xiàn)電磁屏蔽；被動屏蔽則是利用了高磁導率材料磁阻小和金屬材料渦流效應的特性。前者能夠引導磁通的流向，減小磁場的擴散；后者產(chǎn)生反向電場來抵消原電場的影響。被動屏蔽的電磁場變化如圖5 所示。

圖5 被動屏蔽的電磁場分布Fig.5 Electromagnetic field distribution with passive shielding

5.2 工作頻率高

磁場耦合的諧振頻率一般為數(shù)十萬赫茲，而電場耦合由于耦合電容常為皮法量級，因此通常需要將諧振頻率設定在幾百萬赫茲來實現(xiàn)大功率傳輸。HWPT 系統(tǒng)整體工作在電場耦合的諧振頻率，遠遠大于IPT 系統(tǒng)的諧振頻率。較高的諧振頻率增大了電力電子器件的開關(guān)損耗和諧振回路的串聯(lián)等效電阻，降低了系統(tǒng)的傳輸效率。文獻[27，31]中提出，可以將無線傳輸裝置安裝在電動汽車的側(cè)面或前后來縮短傳輸距離，進而減小諧振頻率；也可以不同分支采取不同諧振頻率獨立運行，避免IPT 分支諧振頻率過高。不論采取何種解決手段，都需要采用較高量級赫茲的變換器。如何實現(xiàn)軟開關(guān)，優(yōu)化兆赫茲級別電力電子變換器的設計將是未來HWPT 系統(tǒng)的研究重點。

5.3 耦合機構(gòu)的優(yōu)化與傳輸功率的提升

目前所提出的HWPT 模型大多存在傳輸功率小、傳輸效率不理想的問題。在HWPT 系統(tǒng)中，電場耦合機構(gòu)與磁場耦合機構(gòu)會相互耦合，產(chǎn)生渦流損耗，同時皮法量級的耦合電容也限制了無線電能傳輸系統(tǒng)的功率與效率。為了提升系統(tǒng)傳輸效率和功率，需要研究新型材料以提升介電常數(shù)，優(yōu)化耦合機構(gòu)的設計來增大耦合電容。

6 結(jié)語

HWPT 技術(shù)作為一項蓬勃發(fā)展的技術(shù)，具有其獨到的優(yōu)勢：集成式耦合機構(gòu)能夠節(jié)省裝置體積；共用補償網(wǎng)絡可以減少諧振元件；混合耦合提升了傳輸水平。同時，HWPT 技術(shù)也存在許多技術(shù)瓶頸和應用缺陷：需要改進電磁屏蔽手段來縮短安全距離；要求優(yōu)化電力電子變換器和耦合機構(gòu)的設計，減小功率損耗，提升傳輸效率。HWPT 技術(shù)與電動汽車的結(jié)合應用充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點，對于促進能源轉(zhuǎn)型有積極意義，同時相關(guān)研究也還在探索和創(chuàng)新中，應當予以持續(xù)關(guān)注。