摘 要：

針對(duì)傳統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)相對(duì)位置發(fā)生偏移時(shí)，傳輸功率和效率急劇下降的問題，提出了一種基于耦合諧振及新型空間全向耦合機(jī)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)。首先通過有限元仿真分析發(fā)射機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布特性，設(shè)計(jì)了適應(yīng)其磁場(chǎng)分布的接收機(jī)構(gòu)；然后基于串串諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)傳輸特性；在此基礎(chǔ)上提出了最優(yōu)輸出方式選擇方法和傳輸特性優(yōu)化方法。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提系統(tǒng)多自由度傳輸能量的可行性和有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，接收機(jī)構(gòu)在多角度情況下的輸出功率維持在35 W以上，傳輸效率穩(wěn)定在60%～75%。

關(guān)鍵詞：

無線電能傳輸; 耦合諧振; 多自由度; 最優(yōu)輸出方式選擇

中圖分類號(hào)： TM724

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）07-0019-09

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.003

Wireless Energy Transmission System Based on Coupled Resonance and Novel Space Omnidirectional Coupling Mechanism

Abstract：

Aiming at the problem that the transmission power and efficiency drop sharply when the relative positions of the transmitting and receiving bodies in the traditional wireless energy transmission system are offset， a wireless energy transmission system based on coupled resonance and a new type of spatial omnidirectional coupling mechanism is proposed. Firstly， the magnetic field distribution characteristics of the transmitting mechanism are analyzed by finite element simulation， and the receiving mechanism adapted to its magnetic field distribution is designed. The mathematical model of the system is established based on the series-series resonance compensation structure， and the transmission characteristics of the system are analyzed. The optimal output selection method and the transmission characteristics optimization method are put forward on the basis of the system. Finally， the feasibility and validity of the system for multi-degree-of-freedom transmission are verified by experiments. The experimental results show that the output power of the system is maintained at more than 35 W and the transmission efficiency is stable at 60%～75% in the case of multiple angles of the receiving mechanism.

Key words：

wireless power transfer; coupled resonance （WPT）; multiple degrees of freedom; selection of optimum output method

0 引 言

無線電能傳輸（WPT）是一種依靠電場(chǎng)、磁場(chǎng)、微波和激光等能量載體，實(shí)現(xiàn)電能自供電側(cè)至用電設(shè)備的非接觸式能量傳輸方式［1］。相較于傳統(tǒng)有線電能傳輸方式存在接口部分老化磨損、難以實(shí)現(xiàn)防水防塵、手動(dòng)操作頻繁以及需經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)，WPT技術(shù)具有安全可靠、靈活度高、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和維護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)［2-7］，已廣泛應(yīng)用于家用電器、電動(dòng)汽車、醫(yī)療植入設(shè)備、采礦冶金以及深水探測(cè)［8-13］等領(lǐng)域。目前WPT方式主要分為電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式、電場(chǎng)耦合式和電磁波輻射式，其中磁耦合諧振式具有傳輸效率高、傳輸功率大、傳輸距離遠(yuǎn)、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［14］，得到國(guó)內(nèi)外眾多高校以及科研機(jī)構(gòu)的廣泛研究并快速發(fā)展。

傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)多采用平面線圈，具有一定方向性，在使用過程中需要保證耦合機(jī)構(gòu)正對(duì)才能實(shí)現(xiàn)最大傳輸效率，用電設(shè)備的空間位置發(fā)生偏移會(huì)導(dǎo)致傳輸效率急劇下降，甚至無法正常工作，極大地降低了WPT系統(tǒng)的靈活性和可靠性。為此，有學(xué)者提出了空間全向WPT技術(shù)。文獻(xiàn)［15-19］提出適用于二維和三維空間全向WPT系統(tǒng)的電流控制方法，并設(shè)計(jì)了經(jīng)典三正交發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過電流矢量控制可使磁通量指向空間的各個(gè)方向。但該方法需要3套獨(dú)立的電源模塊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)［20］設(shè)計(jì)了一種能使系統(tǒng)漏磁最小的三維發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過控制電流的大小和相位來產(chǎn)生全向且均勻的磁場(chǎng)，具有較強(qiáng)抗干擾能力，但發(fā)射線圈的電流控制方法比較復(fù)雜。文獻(xiàn)［21］提出一種具有改進(jìn)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維無線充電圓柱體，該設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生均勻的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，為其周圍多個(gè)負(fù)載供電，但均勻磁場(chǎng)只存在于發(fā)射結(jié)構(gòu)四周環(huán)形面上，并非真正的空間全向。文獻(xiàn)［22］提出一種由多個(gè)發(fā)射線圈組成的碗裝發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，其中1個(gè)發(fā)射線圈在底部，4個(gè)發(fā)射線圈均勻分布在側(cè)面，該結(jié)構(gòu)具有均勻磁場(chǎng)和較高的傳輸效率，但功率較小，只適用于小型電子設(shè)備。文獻(xiàn)［23］提出一種由單電源驅(qū)動(dòng)的新型正多面體發(fā)射線圈，在每個(gè)面上放置了單匝激勵(lì)線圈和多匝發(fā)射線圈，激勵(lì)線圈與電源相連，但其能否提高磁場(chǎng)的自由度和均勻性還需后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

上述方法雖然可以在一定程度上解決電能的多自由度傳輸問題，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法上都比較復(fù)雜。為此，本文提出一種基于耦合諧振及新型空間全向耦合機(jī)構(gòu)的WPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)構(gòu)由均勻分布在半球面上的線圈組成，各線圈并聯(lián)連接于同一電源，接收機(jī)構(gòu)由2個(gè)相互正交的方形線圈組成，2個(gè)接收線圈相互解耦。通過檢測(cè)一次側(cè)的電氣參數(shù)，可以選擇最優(yōu)輸出方式，并優(yōu)化效率和功率，實(shí)現(xiàn)多自由度、高效率無線電能傳輸。

1 耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

耦合機(jī)構(gòu)是無線充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，由發(fā)射機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)2個(gè)部分組成。耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是目前空間全向WPT系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)能夠保證發(fā)射機(jī)構(gòu)在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能均勻的空間全向磁場(chǎng)，接收線圈在各個(gè)不同方向上都能盡可能多地耦合磁通，實(shí)現(xiàn)多自由度能量拾取。

1.1 發(fā)射機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間均勻磁場(chǎng)的產(chǎn)生需要設(shè)計(jì)合適的發(fā)射機(jī)構(gòu)形狀，最理想的設(shè)計(jì)是將線圈繞制成球形或半球形。相較于球形，半球形體積更小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)更集中，可在使用過程中避免過多的能量浪費(fèi)。本文提出的發(fā)射機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。4個(gè)小線圈均勻繞制在被四等分的半球形表面上，各線圈相互獨(dú)立，且并聯(lián)于同一電源上。

由于發(fā)射機(jī)構(gòu)周圍的磁場(chǎng)由4個(gè)小線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加形成，因此各線圈的繞線方向?qū)Υ艌?chǎng)強(qiáng)度和方向有重要影響。描述磁場(chǎng)的麥克斯韋第三方程為

式中： B——磁通密度;

ds——面積元。

根據(jù)式（1）可知，穿過一個(gè)閉合曲面的總磁通量總為0?；诖耍l(fā)射機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不考慮產(chǎn)生同向磁場(chǎng)，而采用相鄰線圈磁場(chǎng)反向的繞線方式，根據(jù)右手螺旋定則，當(dāng)各線圈通入相同電流時(shí)，可產(chǎn)生相鄰面異向的空間磁場(chǎng)，磁感線的入射面積等于出射面積，且磁場(chǎng)方向基本垂直于半球體表面。本設(shè)計(jì)具有自然的閉合磁路，有利于減少各線圈之間磁場(chǎng)相互抵消的情況。

發(fā)射機(jī)構(gòu)周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖和云圖如圖2所示。相鄰線圈施加的激勵(lì)方向相反。由圖2可知，該發(fā)射機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生空間全向磁場(chǎng)，且在發(fā)射機(jī)構(gòu)周圍有效空間內(nèi)，磁場(chǎng)分布比較均勻。線圈分界處疊加磁場(chǎng)略有增強(qiáng)，但疊加處的磁場(chǎng)方向已改變，故需要設(shè)計(jì)能接收多方向磁場(chǎng)的接收機(jī)構(gòu)來適應(yīng)該發(fā)射機(jī)構(gòu)。

1.2 接收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

接收機(jī)構(gòu)可將發(fā)射機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸妶?chǎng)，從而完成能量的傳輸。傳統(tǒng)平面型WPT系統(tǒng)的接收機(jī)構(gòu)總是固定于某一位置，而空間全向WPT系統(tǒng)的接收機(jī)構(gòu)可在發(fā)射線圈周圍一定范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。因此，接收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足在任意位置都能穩(wěn)定接收該方向的磁場(chǎng)并能將其轉(zhuǎn)化為電能。

半球形發(fā)射機(jī)構(gòu)相鄰面產(chǎn)生的磁場(chǎng)在任意時(shí)刻總是相異的，接收機(jī)構(gòu)在相鄰區(qū)域感應(yīng)得到的電壓極性相反，當(dāng)傳統(tǒng)平面型接收機(jī)構(gòu)圍繞發(fā)射機(jī)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)，電壓極性存在由正到負(fù)或由負(fù)到正轉(zhuǎn)變的過渡過程，在該過程中必定存在1個(gè)電壓為0的位置，此時(shí)接收機(jī)構(gòu)的幾何中線剛好與相鄰磁場(chǎng)分界線重合，相異磁場(chǎng)穿過接收機(jī)構(gòu)的面積相等，系統(tǒng)傳輸功率為0。為了適應(yīng)發(fā)射機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布，提高能量在傳輸過程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一種正交形接收機(jī)構(gòu)。接收機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

該接受機(jī)構(gòu)由2個(gè)相互正交的方形線圈串聯(lián)組成，2個(gè)正交線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互垂直，其互感為0，減小了能量的損耗。同時(shí)，該接收機(jī)構(gòu)可以接收不同方向的能量，在其沿著磁場(chǎng)分界線繞行時(shí)也能獲得較大的拾取功率，從而更好地適應(yīng)發(fā)射機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。以接收機(jī)構(gòu)圍繞發(fā)射機(jī)構(gòu)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)的傳輸效率和功率的變化規(guī)律來驗(yàn)證該耦合機(jī)構(gòu)的傳輸特性。設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，發(fā)射機(jī)構(gòu)與接收機(jī)構(gòu)距離為150 mm。接收機(jī)構(gòu)在不同角度的輸入功率如圖4所示。由圖4可知，接收機(jī)構(gòu)在各角度上的傳輸功率差別不大，在繞行經(jīng)過磁場(chǎng)分界線時(shí)略有波動(dòng)，但基本可以保證接收機(jī)構(gòu)出現(xiàn)位置偏移時(shí)能量的穩(wěn)定傳輸。

2 無線電能傳輸系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的空間全向WPT系統(tǒng)主要由直流電壓源、全橋逆變器、一次側(cè)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射機(jī)構(gòu)、接收機(jī)構(gòu)、二次側(cè)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流器和負(fù)載組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，發(fā)射機(jī)構(gòu)由4個(gè)發(fā)射線圈并聯(lián)組成，每個(gè)發(fā)射線圈回路中都有1個(gè)開關(guān)控制其回路導(dǎo)通或關(guān)斷。一次側(cè)、二次側(cè)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用串串（S-S）型結(jié)構(gòu)，S-S型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸效率高，且一次側(cè)補(bǔ)償元件參數(shù)不受二次側(cè)元件影響，便于設(shè)計(jì)。

發(fā)射機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生空間全向的磁場(chǎng)，并根據(jù)接收機(jī)構(gòu)的位置選擇導(dǎo)通合適的發(fā)射線圈，使負(fù)載在任意位置都能接收到穩(wěn)定、充足的能量。

2.2 系統(tǒng)工作模式

本文提出的WPT系統(tǒng)的工作模式可分為單發(fā)射線圈供電模式和相鄰雙發(fā)射線圈供電模式。

2.2.1 單發(fā)射線圈系統(tǒng)分析

電路分析理論是WPT系統(tǒng)中最常用的分析理論。單發(fā)射線圈系統(tǒng)電路耦合模型如圖6所示。其中，US為交流電壓源（不計(jì)電源內(nèi)阻），I1、I2分別為一次側(cè)和二次側(cè)電流，C1、C2分別為一次側(cè)和二次側(cè)諧振電容，R1、R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)阻，L1、L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈電感，M為兩兩線圈之間互感，RL為負(fù)載電阻。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）可得，該系統(tǒng)的KVL方程為

式中： ω——諧振角頻率;

jωM——互阻抗。

其中，X1=jωL1+1/（jωC1），X2=jωL2+1/（jωC2）。

當(dāng)系統(tǒng)工作于全諧振狀態(tài)時(shí)：

聯(lián)立式（2）、式（3），整理后可得一次側(cè)、二次側(cè)回路電流分別為

由式（4）可進(jìn)一步求得該系統(tǒng)的輸入功率Pin和輸出功率Pout分別為

系統(tǒng)效率η為

2.2.2 雙發(fā)射線圈系統(tǒng)分析

雙發(fā)射線圈系統(tǒng)耦合電路模型如圖7所示。其中，U1、U2為交流電壓源（不計(jì)電源內(nèi)阻），I1、

I2為兩發(fā)射線圈回路電流，I3為接收線圈回路電流，C1、C2為兩發(fā)射線圈回路諧振電容，C3為接收線圈回路諧振電容，R1、R2為兩發(fā)射線圈電阻，R3為接收線圈電阻，L1、L2為發(fā)射線圈電感，L3為接收線圈電感，M12、M13、M23為兩線圈之間互感，RL為負(fù)載電阻。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得，該系統(tǒng)的KVL方程為

式中：""" ω——諧振角頻率;

jωM12、jωM13、jωM23——互阻抗。

其中，Xi=jωLi+1/（jωCi），i=1，2，3。

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，各發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)與參數(shù)均相同，故U1=U2=U，R1=R2=R，且2個(gè)發(fā)射線圈之間互感很小，jωM12可忽略不計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)工作于全諧振狀態(tài)時(shí)，有Xi=0，式（7）可簡(jiǎn)化為

由式（8）求解，可得3個(gè)回路的電流分別為

進(jìn)一步可解得該系統(tǒng)的輸出功率Pout和系統(tǒng)效率η為

3 傳輸特性優(yōu)化

3.1 最優(yōu)輸出方式選擇

發(fā)射機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)之間的電感耦合模型對(duì)WPT系統(tǒng)具有重要影響，當(dāng)發(fā)射機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生偏移時(shí)，兩者的互感也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而影響WPT系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率。因此，為了提高耦合機(jī)構(gòu)對(duì)于偏差的容忍度，優(yōu)化系統(tǒng)傳輸特性，需要根據(jù)負(fù)載的位置，選擇最優(yōu)輸出方式。有學(xué)者提出了在耦合機(jī)構(gòu)中添加多個(gè)傳感線圈或傳感器的方法［24-25］。通過添加傳感線圈和傳感器雖然可以檢測(cè)負(fù)載位置，但這無疑會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和復(fù)雜度。為解決上述問題，本文提出了一種基于一次側(cè)電氣參數(shù)的最優(yōu)輸出方式選擇方法。

電流和效率與耦合系數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，傳輸效率η 隨著k的增大而增大，輸入電流隨著k的增大而減小，故可以通過檢測(cè)發(fā)射線圈中I1的大小來推斷k的大小。

I1越小，則耦合系數(shù)k越大，說明發(fā)射線圈與接收線圈的位置越靠近，耦合關(guān)系越強(qiáng)，傳輸效率越高。同理對(duì)雙發(fā)射線圈系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得到相同的結(jié)論。

基于上述結(jié)論，最優(yōu)輸出方式選擇方法流程框圖如圖9所示。

對(duì)最優(yōu)輸出方式選擇方法解釋如下：

（1） 系統(tǒng)啟動(dòng)，給定輸入電壓U;

（2） 依次導(dǎo)通4個(gè)發(fā)射線圈，測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的發(fā)射線圈電流I1、I2、I3、I4;

（3） 比較4個(gè)電流大小，記最小電流的有效值為Ia，第二小電流有效值為Ib;

（4） 同時(shí)開通Ia、Ib所在線圈，記錄此時(shí)的總輸入電流為Ic;

（5） 比較Ia、Ic，若Ia＜Ic，則開通Ia對(duì)應(yīng)線圈;若Ia＞Ic，則開通Ia、Ib所在的2個(gè)線圈。

3.2 優(yōu)化方法

通過檢測(cè)一次側(cè)的電氣參數(shù)，可以選擇單發(fā)射線圈供電模式或雙發(fā)射線圈供電模式，使耦合機(jī)構(gòu)具有較高的傳輸功率和效率，本文提出的優(yōu)化方法主要針對(duì)雙發(fā)射線圈供電模式。雙發(fā)射線圈供電時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)在兩線圈分界處疊加增強(qiáng)，若接收線圈中心并不正對(duì)于發(fā)射線圈分界線，此時(shí)無法獲得最大的傳輸功率和效率。對(duì)于多匝圓形線圈，線圈中心的磁通密度B0可表示為

式中： N——線圈匝數(shù);

μ0——正空磁導(dǎo)率;

I——線圈電流幅值;

R——線圈半徑;

l——沿著線圈徑向的單位向量;

r——沿著線圈切向的單位向量。

由式（12）可知，流入線圈的電流越大，線圈中心處的磁通密度越大。將此原理擴(kuò)展到本文的雙發(fā)射線圈模型中，雙發(fā)射線圈中心處的磁通密度B為各個(gè)發(fā)射線圈磁通密度的矢量和，可表示為

式中： B01、B02——2個(gè)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)矢量;

x、y——沿著X軸和Y軸的單位向量。

由式（13）可知，雙發(fā)射線圈中心處合成的磁場(chǎng)矢量B與流入兩線圈的電流矢量幅值有關(guān)，通過改變流入線圈的電流幅值，即可改變合成磁場(chǎng)矢量的方向。

設(shè)定流入發(fā)射線圈2的電流I2=1 A，與之相鄰的發(fā)射線圈1的電流I1為1～4 A。線圈1不同電流大小磁場(chǎng)分布云圖如圖10所示。由圖10可知，流入線圈1的電流越大，磁場(chǎng)疊加增強(qiáng)的區(qū)域越向線圈1靠近，通過改變流入電流的大小，使合成的磁場(chǎng)矢量指向接收機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)傳輸功率和效率的優(yōu)化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的空間全向WPT系統(tǒng)，搭建的試驗(yàn)裝置如圖11所示。該裝置主要由直流電源、全橋逆變器、MCU、S-S諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、空間全向發(fā)射機(jī)構(gòu)、正交接收機(jī)構(gòu)、全橋整流濾波電路和電子負(fù)載組成。

其中，全橋逆變器的MOSFET開關(guān)管型號(hào)為IRFP460APBF，全橋整流器中二極管型號(hào)為FERD20H100STS，諧振補(bǔ)償電容采用faratronic CBB電容。發(fā)射機(jī)構(gòu)半徑為150 mm，采用0.1×450股的利茲線繞制而成，線圈匝數(shù)為10匝，接收機(jī)構(gòu)線圈邊長(zhǎng)為100 mm，采用與發(fā)射機(jī)構(gòu)相同的利茲線繞制，線圈匝數(shù)為10匝。接收機(jī)構(gòu)可圍繞發(fā)射機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，接收機(jī)構(gòu)中心到發(fā)射機(jī)構(gòu)的距離為150 mm。試驗(yàn)裝置具體參數(shù)如表1所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于本文設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)特性，設(shè)定軌跡角度ψ分別為22.5°、45.0°、67.5°，繞行角度θ分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°和180°。軌跡角度ψ和繞行角度θ定義如圖12所示。

單線圈模式傳輸功率和效率如圖13所示;雙線圈模式傳輸功率和效率如圖14所示。

由圖13、圖14可知，隨著繞行角度θ的增大，單線圈供電模式和雙線圈供電模式的傳輸功率和效率都先增大后減小，當(dāng)接收線圈和發(fā)射線圈正對(duì)時(shí)，系統(tǒng)的傳輸功率和效率達(dá)到最大，且不同軌跡角度的變化趨勢(shì)相似。

當(dāng)軌跡角度ψ=45°時(shí)，2種供電模式傳輸功率和效率對(duì)比如圖15所示。

由圖15可知，當(dāng)繞行角度為20°～70°時(shí)，單線圈模式的傳輸功率和效率較高，該角度范圍內(nèi)適宜用單線圈供電模式；當(dāng)繞行角度為70°～110°時(shí)雙線圈模式的傳輸功率和效率較高，此角度范圍內(nèi)適宜用雙線圈供電模式。通過檢測(cè)負(fù)載位置，切換2種供電模式，可使輸出功率維持在35 W以上，傳輸效率穩(wěn)定在60%～75%。

設(shè)定軌跡角度ψ=45°、繞行角度θ=75°，在雙線圈供電模式下，調(diào)整線圈1的輸入電流大小。線圈1電流和功率效率關(guān)系曲線如圖16所示。由圖16可知，通過調(diào)整電流大小可以優(yōu)化系統(tǒng)傳輸性能，效率最高可以提升約3%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種單電源供電的新型空間全向無線電能傳輸耦合機(jī)構(gòu)及其WPT系統(tǒng)，用于解決空間多自由度電能高效拾取問題。在此基礎(chǔ)上，提出了負(fù)載位置檢測(cè)方法和耦合性能優(yōu)化方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)均勻傳輸能量的可行性。本文提出的WPT系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 耦合機(jī)構(gòu)僅需單電源供電，且無須增加控制環(huán)節(jié)即可形成比較均勻的空間穩(wěn)定磁場(chǎng)，對(duì)于降低系統(tǒng)復(fù)雜度、提升耦合機(jī)構(gòu)靈活性具有重要意義。

（2） 僅需檢測(cè)一次側(cè)的電氣參數(shù)即可判別負(fù)載位置，無須額外輔助線圈和傳感器，可有效減小耦合機(jī)構(gòu)體積和降低成本。

（3） 接收機(jī)構(gòu)在空間多角度范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)高效率傳輸。

本文提出的新型空間全向無線電能傳輸耦合機(jī)構(gòu)及其WPT系統(tǒng)在多自由度無線充電應(yīng)用中具有一定的前景及價(jià)值。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 楊慶新， 章鵬程， 祝麗花， 等.無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（5）：1-8.

［2］ 陳煒智， 肖靜， 歐陽(yáng)進(jìn)， 等.變電站巡檢機(jī)器人無線充電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（11）：19-25.

［3］ 馮伯軍， 趙書澤， 夏晨陽(yáng).互感平滑過渡的動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)三角對(duì)接磁路機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.廣東電力， 2023，36（7）：13-21.

［4］ 李敏， 張波， 陳艷峰， 等.一種分?jǐn)?shù)階多負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)， 2022，56（8）：60-64.

［5］ 朱陳紹南， 陳千懿， 高立克， 等.基于輕量化磁耦合機(jī)構(gòu)的無人機(jī)高效無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（12）：58-63.

［6］ 徐文強(qiáng)， 錢祥忠， 梅豪杰.變負(fù)載自適應(yīng)恒流/恒壓充電復(fù)合拓?fù)鋀PT系統(tǒng)［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（6）：15-22，29.

［7］ 張良權(quán)， 丘東元， 謝帆.基于宇稱時(shí)間對(duì)稱的電場(chǎng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)［J］.廣東電力，2022，35 （9）：35-45.

［8］ MAHMOOD A， GHARGHAN S， ELDOSOKY M A A， et al.Wireless power transfer based on spider web-coil for biomedical implants［J］.IEEE Access，2021（9）：167674-167686.

［9］ MENG J.Research on wireless power transmission in coal mine based on explosion-proof safety［C］∥IEEE Advanced Information Management Communicates， Electronic and Automation Control Conference，2021：1700-1704.

［10］ 洪瀟， 張偉峰， 夏霖， 等.基于可移動(dòng)中繼線圈的無線充電系統(tǒng)抗偏移能力提升方法研究［J］.浙江電力，2022，41（12）：106-113.

［11］ 張藝明， 沈志偉， 毛行奎， 等.基于相互解耦四單極接收線圈的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的互操作性［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2024，48（2）：650-663.

［12］ 陳金， 王春芳， 王京雨， 等.單級(jí)實(shí)現(xiàn)的恒流恒壓無線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)研究［J］.廣東電力，2023，36（2）：22-32.

［13］ HUA Z， CHAU K T， PANG H，et al.Dynamic wireless charging for electric vehicles with autonomous frequency control［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2023，59（11）：1-5.

［14］ 范興明， 高琳琳， 莫小勇， 等.無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用綜述（英文）［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（7）：1353-1380.

［15］ NG W M， ZHANG C， LIN D， et al.Two- and Three-Dimensional omnidirectional wireless power transfer［J］.IEEE Transactions on Power Electronics， 2014，29（9）：4470-4474.

［16］ LIN D， HUI S， ZHANG C.Omni-directional wireless power transfer systems using discrete magnetic field vector control［C］∥2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE），2015：3203-3208.

［17］ ZHANG C， LIN D， HUI S Y.Basic control principles of omnidirectional wireless power transfer［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（7）：5215-5227.

［18］ LIN D， ZHANG C， HUI S Y R.Mathematic analysis of omnidirectional wireless power transfer—part-II Three-dimensional systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2016，32（1）：613-624.

［19］ LIN D， ZHANG C， HUI S Y R.Mathematical analysis of omnidirectional wireless power transfer—part-I：Two-dimensional systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2016，32（1）：625-633.

［20］ ZHU Q， SU M， SUN Y， et al.Field orientation based on current amplitude and phase angle control for wireless power transfer［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，65（6）：4758-4770.

［21］ HAN H， MAO Z， ZHU Q， et al.A 3D wireless charging cylinder with stable rotating magnetic field for multi-load application［J］.IEEE Access，2019（7）：35981-35997.

［22］ FENG J， LI Q， LEE F C.Coil and circuit design of omnidirectional wireless power transfer system for portable device application［C］∥IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，2018：914-920.

［23］ 李陽(yáng)， 馮紹杰， 楊慶新， 等.一種新型無線電能傳輸全向三維發(fā)射線圈裝置：CN201720426750.4［P］.2018-02-09.

［24］ QIAN Z， YAN R， CHENG Z， et al.Magnetic positioning technique integrated with near-field communication for wireless EV charging［J］.Energies，2020，13（5）：1081.

［25］ DAYERIZADEH A， FENG H， LUKIC S M.Dynamic wireless charging：reflexive field containment using saturable inductors［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2020，56（2）：1784-1792.