無(wú)線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用專輯主編述評(píng)

孫 躍，馬 皓，趙 雷

（1.重慶大學(xué)，重慶400044，2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

早在一個(gè)多世紀(jì)以前，現(xiàn)代交流電之父尼古拉·特斯拉就夢(mèng)想著能將電力無(wú)線傳送到世界每個(gè)角落。經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)前輩的不斷發(fā)展，結(jié)合電力電子、控制、材料等領(lǐng)域的新技術(shù)，無(wú)線充電技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展。作為一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新，無(wú)線電能傳輸WPT（wireless power transfer）技術(shù)正在改變?nèi)藗儗?duì)電力傳輸和能源供給的方式，特別是在過(guò)去的三十年里，無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用無(wú)線充電技術(shù)，人們不但可以擺脫充電線的束縛，還為航天、航海以及極端惡劣環(huán)境下的供電開啟了新的方向。特別是基于新一代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的高效電源變換器將逐步取代傳統(tǒng)的硅功率器件，形成小型化、高功率密度和高電壓變換產(chǎn)品。無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)仍然有著巨大的潛力，包括將進(jìn)一步提高無(wú)線充電的效率和傳輸距離，使其更加適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、新能源等領(lǐng)域，并提供便捷的新型能源供給解決方案。無(wú)線充電技術(shù)與其他領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和可再生能源、儲(chǔ)能、電源變換及現(xiàn)代控制等相結(jié)合，正在形成更加智能化、高效能的能源系統(tǒng)。然而，盡管當(dāng)前無(wú)線充電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，但由于無(wú)線充電系統(tǒng)WCS（wireless charging system）特殊性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些挑戰(zhàn)需要克服。例如，無(wú)線充電系統(tǒng)在能量傳輸過(guò)程中會(huì)有能量損耗，因此需要提高傳輸效率以減少能量浪費(fèi)。此外，無(wú)線充電的傳輸距離也受到限制，需要更進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)來(lái)擴(kuò)大傳輸范圍。

為了推動(dòng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的深入研究，支撐我國(guó)在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域的全面發(fā)展，《電源學(xué)報(bào)》特別推出《無(wú)線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用》專輯。本專輯共收到投稿31 篇，經(jīng)過(guò)細(xì)致審稿，錄用論文23 篇，其中無(wú)線電能傳輸技術(shù)中抗偏移技術(shù)的論文6 篇，能信同傳技術(shù)的論文5 篇，建模與控制策略論文5篇，耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化論文7 篇。

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)可以提供靈活方便的供電模式，但這一應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)上也會(huì)為系統(tǒng)引入強(qiáng)非線性的多參數(shù)劇烈變化，嚴(yán)重時(shí)引入的瞬態(tài)電壓電流應(yīng)力變化可能對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)造成潛在的損傷，因此抗偏移技術(shù)是無(wú)線電能傳輸設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。南陽(yáng)理工學(xué)院樊京等[1]針對(duì)負(fù)載和耦合系數(shù)均有可能大范圍變化的實(shí)際工況，提出了一種非線性鐵磁諧振無(wú)線電能傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用杜芬方程和相量分析法對(duì)工作原理進(jìn)行定性分析，并搭建了功率可達(dá)566 W、效率可達(dá)93.5%的非線性拓?fù)錈o(wú)線電能傳輸系統(tǒng)原型。所提出的非線性LCC-LCC拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)耦合系數(shù)從0.1 變化到0.5 和負(fù)載電阻從72 Ω 到無(wú)窮大的大范圍變化，具有比較好的抗偏移能力和負(fù)載穩(wěn)定性。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備一定的工程應(yīng)用潛力。

天津工業(yè)大學(xué)李陽(yáng)等[2]提出了一種移動(dòng)中繼雙向無(wú)線充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)移動(dòng)中繼雙向無(wú)線充電的功率變換新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了雙向無(wú)線充電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同互感、負(fù)載、輸出功率下的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并搭建了10 kW 雙向無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，證明了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及整體系統(tǒng)的正確性和可行性。東北林業(yè)大學(xué)李振杰等[3]提出一種兼具強(qiáng)抗偏移性與功率可控性的可重構(gòu)無(wú)線充電系統(tǒng)研究，通過(guò)合理地切換傳能通道，實(shí)現(xiàn)互感與負(fù)載較寬范圍變化時(shí)恒流/恒壓充電、全橋逆變器軟開關(guān)狀態(tài)；并設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)了較寬偏移與負(fù)載波動(dòng)時(shí)恒流/恒壓充電、ZVS 狀態(tài)，搭建了旋翼無(wú)人機(jī)用WCS，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最大輸出功率為126 W 且系統(tǒng)效率大于85%時(shí)，水平偏移范圍為直徑340 mm 的圓形。國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司的葛凱梁等[4]為提升電動(dòng)汽車靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)抗偏移性能，提出一種基于中繼線圈切換的WPT 系統(tǒng)，研究了兩線圈結(jié)構(gòu)與三線圈結(jié)構(gòu)WPT 系統(tǒng)抗偏移性能，通過(guò)結(jié)合兩線圈結(jié)構(gòu)與三線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)整體抗偏移能力。研究結(jié)果表明，在橫向偏移距離為線圈尺寸50%的范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出效率均達(dá)到85%以上。江蘇方天電力技術(shù)有限公司胡鵬等[5]提出了一種PT 對(duì)稱磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)特性分析，為深入分析PT 對(duì)稱系統(tǒng)的電路特性，證實(shí)PT 對(duì)稱系統(tǒng)的工作機(jī)制實(shí)質(zhì)為實(shí)本征態(tài)機(jī)制，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行模式和系統(tǒng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了不同實(shí)本征態(tài)的阻抗特性及能效特性，為實(shí)際系統(tǒng)的工作模式選取提供了理論依據(jù)。陜西科技大學(xué)侯信宇等[6]提出了一種三線圈無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)分段補(bǔ)償技術(shù)，研究了三線圈WPT 系統(tǒng)的補(bǔ)償電容端電壓與輸入直流電壓的電壓比隨工作頻率的變化情況，定義了多中繼WPT 系統(tǒng)線圈端電壓指標(biāo)作為分段數(shù)選擇的重要參照標(biāo)準(zhǔn)，并搭建了基于分段補(bǔ)償?shù)娜€圈WPT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分段補(bǔ)償方法能有效地降低諧振電容端電壓，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

無(wú)線供電系統(tǒng)中電能與信號(hào)并行傳輸技術(shù)一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的研究課題，特別是有著很強(qiáng)實(shí)用性的基于共享通道的無(wú)線能量信號(hào)同步傳輸技術(shù)。四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司王云柳等[7]提出了一種同軸旋轉(zhuǎn)型MC-WPT 系統(tǒng)電能與信號(hào)并行傳輸方法，建立六繞組耦合機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，給出電能與信號(hào)傳輸通道間的交叉耦合參數(shù)表達(dá)式。搭建了MC-WPST 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提六繞組耦合機(jī)構(gòu)對(duì)電能串?dāng)_以及開關(guān)噪聲的基波部分有較好的抑制作用，在系統(tǒng)輸出功率為150 W 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基于幅移鍵控的速率為19 200 bit/s 的信號(hào)傳輸。武漢科技大學(xué)宋純等[8]提出一種3FSK 能量調(diào)制式無(wú)線功率與信息同步傳輸技術(shù)，采用三諧振頻帶且系統(tǒng)載波均使用諧振頻率，避免了對(duì)于系統(tǒng)諧振頻率的利用率低、傳輸效率低等缺陷，可實(shí)現(xiàn)全雙工。通過(guò)搭建的150 kHz、177 kHz 和48 kHz 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了在3 種頻率下接收側(cè)輸出電壓穩(wěn)定,且其幅值為直流輸入電壓的4/π 倍，達(dá)到恒電壓輸出的目標(biāo)。國(guó)網(wǎng)咸陽(yáng)供電公司張杰等[9]提出一種基于磁耦合諧振式海下無(wú)線電能與信息共享耦合線圈分時(shí)傳輸方法，采用2FSK 調(diào)制方法，將兩個(gè)信號(hào)載波的頻率分別設(shè)置為1 MHz 和2 MHz。在水槽實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用35%鹽水模擬海水環(huán)境，證實(shí)了電能、信息共享通道無(wú)線傳輸系統(tǒng)對(duì)海下電氣設(shè)備進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴?guó)網(wǎng)咸陽(yáng)供電公司趙航等[10]提出一種水下數(shù)據(jù)采集與信息處理方法，考慮到復(fù)雜多變的水下環(huán)境對(duì)電能和信息傳輸會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，搭建基于多種傳感器的信息搜集與處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)海洋數(shù)據(jù)采集，有效解決了水下數(shù)據(jù)的獲取問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理效率。另外還研究了海水的相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及相對(duì)介電常數(shù)等系統(tǒng)信息和能量傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，并分析了溫度和壓力對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)挠绊?。煙臺(tái)理工學(xué)院秦慶磊等[11]提出一種脈沖調(diào)制式無(wú)線電能與信息同步傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了解調(diào)電路結(jié)構(gòu)和脈沖編碼實(shí)現(xiàn)方法，并使用集成于原邊處理器內(nèi)的解調(diào)電路方案制作200 W 實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，當(dāng)信息傳輸速率2 kbps 時(shí)，誤碼率小于1.5%，電能損耗小于1%。該方法使用元件少，集成度高，可滿足系統(tǒng)閉環(huán)控制的需求。

建模與控制策略是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)網(wǎng)咸陽(yáng)供電公司張杰等[12]提出一種磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)變電容調(diào)諧控制方法，通過(guò)控制電容的充放電時(shí)間使該電容等效為一個(gè)可變電容，從而使系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)，可使系統(tǒng)發(fā)射端線圈和接收端線圈之間的傳輸效率達(dá)到最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在諧振頻率為100 kHz、輸入電壓為20 V 的情況下，樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線電能穩(wěn)定、可靠傳輸，證明了該變電容調(diào)諧控制方法的有效性。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)蘇建強(qiáng)等[13]提出了一種基于自抗擾控制ADRC（active disturbance rejection control）的LCC-S 諧振型無(wú)線充電副邊閉環(huán)控制方法，通過(guò)電路分析LCC-S 型諧振網(wǎng)絡(luò)的輸出特性與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，建立副邊Buck 變換器的狀態(tài)方程模型，并根據(jù)模型設(shè)計(jì)ADRC 中跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）、非線性狀態(tài)誤差反饋（NLSEF），最后搭建了基于ADRC 的無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在多參數(shù)擾動(dòng)下比較ADRC 控制器與PI 控制器控制效果，結(jié)果表明ADRC 控制器表現(xiàn)出了更好動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。湖北工業(yè)大學(xué)彭思敏等[14]提出了一種基于線性自抗擾控制的無(wú)線電能恒壓無(wú)通信傳輸方法,該方法在系統(tǒng)輸入端采用鎖相環(huán)跟蹤諧振頻率，并采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最小輸入功率跟蹤；在輸出端采用基于線性自抗擾控制的移相半控整流電路控制策略，使系統(tǒng)工作于恒定電壓輸出、高效傳輸?shù)臓顟B(tài)，且系統(tǒng)輸入端與輸出端之間無(wú)需通信。而當(dāng)負(fù)載和參考電壓發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓始終恒定在參考值，系統(tǒng)傳輸效率保持在90%。南京航空航天大學(xué)陳旭玲等[15]提出了一種低速轉(zhuǎn)動(dòng)多負(fù)載MCR-WPT系統(tǒng)，建立單發(fā)射多負(fù)載系統(tǒng)并進(jìn)行理論分析，分析接收端轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)MCR-WPT 系統(tǒng)傳輸效率的影響，探討低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下系統(tǒng)傳輸效率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在低速轉(zhuǎn)動(dòng)三負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的功率輸出，單個(gè)負(fù)載的傳輸效率可以達(dá)到23.26%，總傳輸效率達(dá)到69.768%，低速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)傳輸效率影響較小。四川師范大學(xué)趙發(fā)定等[16]提出了一種頻率和功率可調(diào)的固態(tài)微波功率源，采用具有寬帶特性的放大器件和反饋調(diào)節(jié)方式，獲得了較寬的帶寬和輸出功率動(dòng)態(tài)范圍，具有體積小、可靠性高、散熱性能良好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該固態(tài)微波功率源頻率可調(diào)范圍為0.7～2.8 GHz，頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)為1 MHz，最大頻率偏移量＜0.3 MHz；功率可調(diào)范圍為20～39.5 dBm，輸出功率最大誤差為±0.5 dB，為高功率微波功率源研究與設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

磁耦合機(jī)構(gòu)是無(wú)線電能傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)關(guān)鍵，直接影響了傳輸效率及功率，因此其相關(guān)優(yōu)化在無(wú)線電能傳輸技術(shù)中具有舉足輕重的作用。青島大學(xué)李卓玥等[17]提出一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合器屏蔽層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由鐵氧體磁片、納米晶帶材及鋁箔構(gòu)成復(fù)合屏蔽層磁耦合器，優(yōu)化設(shè)計(jì)了復(fù)合屏蔽層結(jié)構(gòu)及各部分材料的構(gòu)成比例。與傳統(tǒng)鐵氧體磁片和鋁板構(gòu)成的磁耦合器相比，所提出的復(fù)合屏蔽層磁耦合器在減小了體積和重量的同時(shí)，互感和耦合系數(shù)分別提高了8.2%和0.7%，成本減小了47%，最后在搭建的2.5 kW、傳輸距離為12 cm 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。同濟(jì)大學(xué)李巍等[18]研究了部分元等效電路理論在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用部分元等效電路（PEEC）法，對(duì)平面矩形螺旋線圈的自感和互感進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了PEEC 法計(jì)算參數(shù)的高效性和準(zhǔn)確性。然后建立了雙線圈系統(tǒng)和單共振磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，采用PEEC 法并結(jié)合電路法對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性分別進(jìn)行了研究和分析，通過(guò)與有限元法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確性和快速性。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)夏晨陽(yáng)等[19]提出一種基于正交DD 線圈副邊去耦合干擾的雙負(fù)載無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，旨在解決兩個(gè)副邊線圈之間的耦合干擾問(wèn)題，在不采用屏蔽材料和控制方法的情況下，該機(jī)構(gòu)僅通過(guò)線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)副邊線圈的完全解耦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該機(jī)構(gòu)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在雙負(fù)載情況下，兩負(fù)載互不影響且系統(tǒng)能量傳輸效率可達(dá)到88.7%。天津工業(yè)大學(xué)李陽(yáng)等[20]提出一種基于雙耦合線圈的無(wú)人機(jī)輕量化無(wú)線充電耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足無(wú)人機(jī)接收側(cè)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，具有較高的傳輸能效與一定的抗偏移能力。同時(shí)采用順向串聯(lián)的形式，保證了無(wú)線充電的均勻性。通過(guò)搭建無(wú)人機(jī)無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該耦合機(jī)構(gòu)可有效地對(duì)無(wú)人機(jī)電池以1.2 kW功率進(jìn)行充電，系統(tǒng)傳輸效率為95.554%，無(wú)人機(jī)側(cè)耦合機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為320 g，并具有一定的抗偏移能力。東北林業(yè)大學(xué)李振杰等[21]提出了一種動(dòng)態(tài)無(wú)線充電用主從協(xié)同式接收線圈設(shè)計(jì)方案，可以有效提高動(dòng)態(tài)無(wú)線充電（DWC）系統(tǒng)的抗錯(cuò)位能力。設(shè)計(jì)了MA 線圈的結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)洌ㄟ^(guò)仿真確定了線圈寬度wM和wA的最佳比例，在此情況下比較了MA 線圈與方形線圈的有效側(cè)移范圍和抗側(cè)移性能。最后，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其MA 線圈有效側(cè)移范圍達(dá)到0.183τ，相比同尺寸下的方形線圈提升了23%。陸軍裝甲兵學(xué)院許非凡等[22]論述了無(wú)人戰(zhàn)斗平臺(tái)野外無(wú)線充電線圈設(shè)計(jì)與優(yōu)化，分析野外陸戰(zhàn)環(huán)境下無(wú)線充電的戰(zhàn)技指標(biāo)，設(shè)計(jì)了滿足野外陸戰(zhàn)環(huán)境無(wú)線充電的高適應(yīng)性耦合線圈，提出了一種SP-DDP 雙層組合線圈，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的線圈能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸距離50 mm、X 軸方向偏移160 mm、Y 軸方向偏移120 mm 時(shí)互感變化幅度小于20%，證明了所提出的線圈結(jié)構(gòu)具備抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)特性。國(guó)網(wǎng)咸陽(yáng)供電公司趙航等[23]提出一種水下磁耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析，針對(duì)水下磁耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，建立了水下磁耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)電路模型，對(duì)海洋環(huán)境中產(chǎn)生的渦流損耗進(jìn)行了定量分析，根據(jù)海洋環(huán)境分析了海水水流沖擊對(duì)磁耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)影響，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上，本專輯的論文從無(wú)線電能傳輸技術(shù)中抗偏移技術(shù)、能信同傳技術(shù)、建模與控制策略、耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面提出了無(wú)線電能傳輸?shù)男滤悸泛托路椒?。但在無(wú)線電能雙向傳輸、高頻無(wú)線電能傳輸技術(shù)的新理論與新方法、新材料及新器件、電磁屏蔽與輻射管理等方面仍然有很大的探索空間，值得深入研究，需要大家一起努力，進(jìn)一步探討，共同為我國(guó)屹立于世界民族之林而奮斗。

最后，衷心感謝審稿專家在本刊征稿中的貢獻(xiàn)，感謝專家學(xué)者和業(yè)界同行們對(duì)于本專輯在征文、投稿和評(píng)審工作的大力支持！