磁諧振式無線電能傳輸效率優(yōu)化方法研究進展

張秀敏，郭偉健，焦超群，佟慶彬

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

無線電能傳輸WPT（wireless power transfer）技術是指無需導線或其他物理接觸，直接將電能轉(zhuǎn)換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間將能量從電源傳遞到負載的電能傳輸技術，又被稱為非接觸式電能傳輸技術CET（contactless energy transfer）[1]。該技術實現(xiàn)了電源與負載之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活等傳統(tǒng)電能傳輸方式無可比擬的優(yōu)點，因此得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注[2]。

WPT 技術主要分為3 種形式：感應無線電能傳輸技術、諧振無線電能傳輸技術和微波無線電能傳輸技術[3]。其中，感應無線電能傳輸技術基于電磁感應原理，發(fā)射線圈通過電流時所產(chǎn)生的磁通在接收線圈產(chǎn)生感應電動勢，從而實現(xiàn)電能傳輸，這種方法傳輸效率最高（90%以上），但傳輸距離很短（幾厘米以內(nèi)），只能適用于特定的電能傳輸；微波無線電能傳輸是將電能轉(zhuǎn)換為無線電等形式發(fā)送給接收天線，實現(xiàn)遠距離（公里級）傳輸，但這種方法效率極低（低于10%），應用價值不大；諧振無線電能傳輸技術基于磁諧振原理，由于其較遠的傳輸距離（十幾厘米到幾米）和較高的傳輸效率（40%到90%以上）已成為該領域研究的焦點[4]。本文著重討論磁耦合諧振式無線電能傳輸技術。

WPT 技術最早于1893 年由尼古拉·特斯拉提出，在哥倫比亞世界博覽會上，他采用感應無線傳輸技術的原理點亮了一盞磷光照明燈[5]。此后的一百多年中，WPT 技術發(fā)展緩慢。直到2007 年，麻省理工大學的物理學助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究團隊利用磁場的諧振方式，在1.9 m 之外成功點亮了一盞60 W 的燈泡[6]，第一次實現(xiàn)了中等距離的無線電能傳輸，從此開辟了諧振式無線電能傳輸新的研究方向。2011 年，美國威斯康辛大學Lee 等設計的WPT 系統(tǒng)的傳輸功率為220 W，工作頻率為3.7 MHz，傳輸距離為0.3 m，傳輸效率為95%[7]。2014 年，韓國科技學院Moon 等采用二次共振頻率算法，設計了帶有中繼線圈的WPT 系統(tǒng)，在100 kHz 開關頻率、傳輸距離0.2 m、傳輸功率6.6 kW 時，傳輸效率達到95.57%[8]。2018年，英國紐卡斯爾大學Vu 等，設計了傳輸距離為0.2 m、傳輸功率為3.7 kW、傳輸效率為97.08%的四線圈WPT 系統(tǒng)[9]。

國內(nèi)對WPT 技術的報道和研究始于20 世紀90 年代，早期主要是微波無線電能傳輸?shù)难芯?，近年對諧振耦合無線電能傳輸技術方面的研究逐漸興起[10]。2011 年，香港理工大學傅為農(nóng)教授課題組與武漢大學王軍華教授合作研制了諧振頻率為5.5 MHz的傳輸系統(tǒng)，在傳輸距離20 cm 時，傳輸效率為46%[11]。2012 年，重慶大學團隊制作了諧振式無線電能傳輸裝置，實現(xiàn)80 cm 內(nèi)60 W 的無線能量傳輸，且傳輸效率達到了52%[12]。2013 年，天津工業(yè)大學張獻等設計的大功率WPT 系統(tǒng)實現(xiàn)輸出功率為3 kW，傳輸效率為92.5%，傳輸距離為30 cm，工作頻率為200～400 kHz[13-14]。2017 年，四川大學團隊實現(xiàn)了在450 mm 距離內(nèi)點亮15 W 的LED 燈泡，傳輸效率達到60%以上[15]。

傳輸效率是WPT 系統(tǒng)的一個重要指標，關系著WPT 技術的應用價值。本文根據(jù)國內(nèi)外研究報道，對線圈優(yōu)化設計、諧振鏈路改進、頻率控制及阻抗調(diào)節(jié)4 個方面的傳輸效率提升方法進行了歸納和概括，最后進行了總結(jié)與展望。

1 線圈優(yōu)化設計

傳輸線圈是無線電能傳輸系統(tǒng)最重要的組成部分，線圈的優(yōu)化設計是無線電能高效傳輸?shù)年P鍵技術之一。無線電能傳輸系統(tǒng)中的磁耦合諧振式二線圈電路模型如圖1 所示。

圖1 磁耦合諧振式二線圈電路模型Fig.1 Circuit model of magnetically-coupled resonant two-coil

由圖1 可以推導出傳輸效率為

式中：RL為負載阻抗；R1、R2分別為發(fā)射、接收線圈內(nèi)阻；M 為線圈間互感；k 為耦合系數(shù)；Q1、Q2為線圈的品質(zhì)因數(shù)，與線圈的結(jié)構、大小、匝數(shù)、匝間距、繞制方法等具有密切聯(lián)系。因此，合理設置無線電能傳輸線圈的參數(shù)，對系統(tǒng)傳輸性能的提高具有重要意義[16]。

在優(yōu)化線圈結(jié)構方面，諧振線圈的品質(zhì)因數(shù)Q是決定系統(tǒng)傳輸效率的因素之一。文獻[17]在相同面積時采用圓形線圈，可以增大耦合系數(shù)，降低線圈自身損耗，從而提高系統(tǒng)傳輸效率。存在最優(yōu)化的線圈半徑、匝數(shù)、匝間距，能使系統(tǒng)效率最大。當線圈間距離固定時，線圈參數(shù)的優(yōu)化方案為：先優(yōu)化線圈半徑，再優(yōu)化線圈匝數(shù)，最后優(yōu)化線圈的匝間距。優(yōu)化后的系統(tǒng)效率由原來的35%提高到72%。

在線圈的材料選擇方面，大多數(shù)文獻采用普通的銅質(zhì)線圈[18-20]。因為傳輸效率與收發(fā)線圈本身的電阻有很大關系，所以采用超導材料應用于WPT技術具有潛在應用前景。文獻[21]對發(fā)射線圈和接受線圈材料為銅-銅、超導-超導、超導-銅、銅-超導4種情況分別測量其傳輸效率，得到等距離下超導線圈作為發(fā)射線圈傳輸效率最高。超導線圈代替銅線圈作為發(fā)射端，更容易實現(xiàn)低溫環(huán)境，因此可以用于電動汽車的無線充電系統(tǒng)[22]。文獻[23]通過優(yōu)化負荷方式提升了超導線圈作為接收線圈時的傳輸效率。無論是采用高溫超導還是低溫超導，對整個系統(tǒng)溫度的要求都較高，在實際應用中，與系統(tǒng)輸出功率的提升相比，長期的制冷功率損耗是否達到整體節(jié)能還有待考證。

由于趨膚效應的原因，共振頻率的提高會使線圈內(nèi)阻變大，因此共振頻率并非越大越好。適當降低線圈的共振頻率，也可以間接提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，從而提升傳輸效率。文獻[24]通過使用環(huán)形鐵氧體磁芯，利用其高磁導率的特性使線圈和回路具有較大的電感，將諧振頻率降低到500 kHz，有效抑制了趨膚效應，傳輸效率最大值達到85%，其線圈結(jié)構如圖2 所示，從商業(yè)角度來看，系統(tǒng)的工作頻率低也有助于降低成本。文獻[25]使用超導-鐵磁（SCFM）材料即超導材料和鐵磁材料交替組成的線圈纏繞在發(fā)射線圈和和接收線圈外部，達到了增強磁耦合和減少損耗的雙重作用，與普通線圈相比，在兩線圈平行方式下傳輸時其效率提升了2.5 倍。

圖2 加入環(huán)形鐵氧體磁芯的傳輸線圈Fig.2 Transmission coil with the addition of a toroidal ferrite core

2 諧振鏈路改進

相比于二線圈結(jié)構的無線電能傳輸系統(tǒng)，四線圈傳輸系統(tǒng)增加了兩個中繼線圈，在相同的傳輸距離和線圈尺寸下具有更高的傳輸效率[26]。在四圈結(jié)構系統(tǒng)中，由于發(fā)射線圈不與電源直接連接，發(fā)射線圈中不再包含電源內(nèi)阻，且接收線圈不與負載直接相連，接收線圈中也不再包含負載，因此，發(fā)射線圈與接收線圈的阻抗接近其線圈交流電阻，品質(zhì)因數(shù)可以很高，達到102～103[27]。因此，四線圈機構在耦合系數(shù)較低的中遠距離情況下，仍能獲得較高的傳輸效率。文獻[28]對比了四線圈傳輸系統(tǒng)的4 種拓撲結(jié)構——串串串串（SSSS）、并串串串（PSSS）、串串串并（SSSP）、并串串并（PSSP）結(jié)構的傳輸效率，其中字符S 代表串聯(lián)補償，字符P 代表并聯(lián)補償，得出串串串串（SSSS）結(jié)構在低頻率、小負載、中等距離下，傳輸效率和輸出功率最高；串串串并（SSSP）結(jié)構更適合于低頻率、大負載、中長距離的傳輸。圖3 為2 種結(jié)構的四線圈電路模型。

圖3 2 種結(jié)構的四線圈電路模型Fig.3 Four-coil circuit models of two structures

磁耦合感應式無線電能傳輸MCI-WPT（magnetically-coupled inductive wireless power transfer）的傳輸效率隨著距離的增大而逐漸減小，在感應區(qū)域傳輸效率高；而磁耦合諧振式無線電能傳輸MCRWPT（magnetically-coupled resonant wireless power transfer）的傳輸效率隨著距離的增大先增大后減小，在最佳傳輸距離處效率達到最大。為兼得這兩種模式的優(yōu)點，文獻[29]提出磁耦合雙模無線電能傳輸MCBWPT（magnetically-coupled bi-module wireless power transfer），其改進的電路拓撲結(jié)構如圖4 所示。圖中引入轉(zhuǎn)換開關組S1、S2，通過測定信號頻率與傳輸距離的關系判斷發(fā)射端與接收端的位置關系，確定是否處在感應區(qū)域，進一步控制轉(zhuǎn)換開關組S1、S2開斷，使在任意距離處能自動選擇最優(yōu)的工作模式。

圖4 MCB-WPT 系統(tǒng)拓撲Fig.4 Topology of MCB-WPT system

大多數(shù)WPT 系統(tǒng)主要的功率損耗發(fā)生在初次側(cè)，為了提高效率，可以采用降低初次側(cè)電流的方法。文獻[30]提出了一種非對稱四線圈諧振器的WPT系統(tǒng)，源線圈和2 個發(fā)射線圈（中繼線圈）在同一平面上，而在次級側(cè)負載線圈用為接收線圈，其等效模型如圖5 所示，傳統(tǒng)對稱型四線圈傳輸系統(tǒng)只有一個中繼線圈距發(fā)射線圈較近，而非對稱四線圈傳輸系統(tǒng)可將兩中繼線圈電路模型轉(zhuǎn)化到初次側(cè)，可進一步提高原邊的等效電感以降低初次側(cè)的電流，從而提高傳輸效率。該模型在開關頻率90 kHz、傳輸距離20 cm、輸出功率3.3 kW 的情況下，效率達到了96.56%，并且具有較強的橫向和垂直抗偏移能力。

圖5 一種改進的四線圈WPT 系統(tǒng)線圈模型Fig.5 Coil model of an improved four-coil WPT system

3 頻率控制策略

諧振頻率是影響系統(tǒng)傳輸效率的一個主要因素。頻率控制就是通過追蹤諧振頻率或過耦合時的分裂頻率以達到最大效率[31]。頻率控制的控制策略主要分為4 種方法：最大功率追蹤、傳輸距離追蹤、發(fā)射端電壓和電流零相位角追蹤（v1-i1零相位追蹤）以及發(fā)射端電壓和接收端電流零相位角追蹤（v1-i2零相位追蹤）。

文獻[32]針對電動汽車在無線充電過程中因初級和次級線圈間的距離以及軸與軸的相對位置不固定而導致傳輸系統(tǒng)的諧振頻率也不固定的問題，提出了一種最大功率頻率追蹤算法，通過對頻率進行擾動，并觀察逆變器輸出功率的變化，使其跟蹤大功率；文獻[33]通過對傳輸距離的實時檢測改變系統(tǒng)的工作頻率，可以實現(xiàn)在有效傳輸距離內(nèi)使系統(tǒng)始終保持最高的傳輸效率,但此方法適用于只有距離可變的無線傳輸系統(tǒng)，當溫度變化、系統(tǒng)老化等原因?qū)е缕渌麉?shù)發(fā)生變化時，則不能達到最高傳輸效率；文獻[34]實現(xiàn)了對串串型和串并型拓撲系統(tǒng)的發(fā)射端電壓和電流零相位角追蹤，頻率追蹤系統(tǒng)原理如圖6 所示。通過對發(fā)射線圈的電流頻率和相位的檢測，將諧振頻率反饋給逆變驅(qū)動電路，使發(fā)射源頻率跟隨發(fā)射線圈自諧振頻率變化而變化，進而實現(xiàn)頻率跟蹤，但是這種方法不太適用于過耦合的情況；在過耦合時，距離越近諧振頻率下傳輸效率反而越低[35]，而發(fā)射端電壓和電流的阻抗角在臨界耦合時只有1 個零相位點，在過耦合時有3 個零相位點[36]。然而，最大功率跟蹤控制和v1-i1零相位跟蹤控制無法區(qū)分2 個分裂頻率點，有可能會使系統(tǒng)工作頻率在這2 個頻率之間跳變，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定[37]。

圖6 頻率跟蹤系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of frequency tracking system

為了解決系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，且在各種情況下都能實現(xiàn)最大效率的穩(wěn)定傳輸，文獻[38]提出發(fā)射端電壓、接收端電流零相位角追蹤（v1-i2零相位追蹤）的方法。通過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射端電壓和接收端電流的180°相位點和0°相位點分別與左、右兩個分裂頻率點對應，而傳輸功率極小值頻率點與90°相位點相對應，因此采用鎖相環(huán)PLL（phase-locked loop）控制技術，利用v1-i2零相位追蹤控制方法可以始終跟蹤右側(cè)的分裂頻率，控制的穩(wěn)定性較強。但這種方法的缺點是控制量同時涉及發(fā)射端和接收端，需要增加通信環(huán)節(jié)，增加了成本和系統(tǒng)復雜程度。

4 阻抗調(diào)節(jié)法

當系統(tǒng)的負載發(fā)生變化時，可以采用頻率控制的方法使初次側(cè)電壓、電流零相角運行，但變頻控制方法會導致系統(tǒng)運行頻率的漂移及頻率分叉現(xiàn)象的發(fā)生，產(chǎn)生多個可能的頻率運行點，給系統(tǒng)的穩(wěn)定控制帶來了困難。阻抗調(diào)節(jié)法更適用于工作頻率變化很小的系統(tǒng)[39]，一般通過調(diào)節(jié)輸入阻抗或負載阻抗提高傳輸效率。

文獻[40]采用阻抗調(diào)節(jié)法對傳輸性能進行了優(yōu)化，在負載動態(tài)變化下不再控制信號頻率，采用可變電抗器和固定電容器對初次側(cè)電路進行動態(tài)補償，其初次側(cè)等效電路如圖7 所示。通過功率開關管控制非飽和電抗器的導通角進而控制其等效電感，以便保證系統(tǒng)電源電流與電壓的零相角運行；相對于靜態(tài)補償方式，固定頻率下的動態(tài)補償在保證無接觸電能傳輸系統(tǒng)的功率傳輸性能的同時，有效降低了系統(tǒng)電源的容量。

圖7 初次側(cè)動態(tài)補償電路Fig.7 Dynamic compensation circuit on primary-side

文獻[41]提出了采用非耗能元件組成的阻抗調(diào)節(jié)電路提高功率效率的方法，阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意如圖8 所示。通過改變Cs、Cp來調(diào)節(jié)實際輸入阻抗，并使其實部為電源內(nèi)阻Rs，虛部為0，即可獲得最大接收功率。相較于頻率跟蹤方法，阻抗調(diào)節(jié)法能獲得同等距離下更高的負載接收功率。

圖8 阻抗調(diào)節(jié)原理Fig.8 Principle of impedance adjustment

文獻[42]針對電池無線充電過程中負載大幅變化引起的效率降低的問題，提出一種負載阻抗匹配的方法，電路結(jié)構如圖9 所示。在二次側(cè)添加了Boost 電路，通過控制MOSFET 的控制信號信號占空比D 調(diào)節(jié)負載等效阻抗，保證輸出電壓的恒定；采用擾動觀察法通過控制初級全橋逆變器的移相角、改變輸入功率、檢測輸入電流的最小值和追蹤最大效率點，實現(xiàn)了負載電阻在5～500 Ω 范圍內(nèi)變化時效率始終保持在80%以上。

圖9 帶負載阻抗匹配的無線電能傳輸系統(tǒng)Fig.9 WPT system with load impedance matching

5 結(jié)語

本文對WPT 系統(tǒng)進行了簡要綜述，并針對效率提升的方法進行了歸納和概括，分別從線圈優(yōu)化設計、諧振鏈路改進、頻率控制及阻抗調(diào)節(jié)4 個方面介紹了近年來關于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的效率優(yōu)化方法的研究進展。前兩個方面通過對傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構（包括線圈結(jié)構、材料和諧振鏈路等）的改進，可以達到增強收發(fā)線圈間的耦合系數(shù)或是減少傳輸損耗的目的，在根本上提升了系統(tǒng)整體的傳輸性能。后兩個方面專注于提升動態(tài)系統(tǒng)的傳輸效率，對于線圈距離可變或參數(shù)不固定的系統(tǒng)，可以通過實時改變信號頻率、輸入阻抗、負載阻抗等形式，使系統(tǒng)始終工作在效率最佳點。

從已有的無線電能傳輸效率優(yōu)化研究成果看，關于效率提升方面，未來應在新型電磁材料在線圈上的應用、傳輸空間電磁環(huán)境的優(yōu)化、過耦合時傳輸效率降低機理及對動態(tài)系統(tǒng)靈敏度的提升等方面做進一步的研究。希望在不久的將來，高效率的無線電能傳輸代替大批電氣設備的有線供電方式，為人們的生活帶來更大方便的同時，提升電能的有效利用率。