电磁耦合和光电耦合优缺点（磁耦合谐振式无线电能传输技术的关键）

无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题，磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。

MCRWPT技术以能量谐振耦合原理通过高频电磁场实现能量传递，由于传输能量的大小不仅取决于磁场的大小，还与磁场的变化率、频率、磁感应强度、磁通密度等电磁参数有关，因此，谐振耦合系数是与谐振频率、品质因数、自感大小和互感系数相关的函数。

在谐振匹配的状态下MCRWPT系统可不受空间位置和障碍物影响而实现中距离无线电能传输。MCRWPT系统典型的工作原理如图1所示，其中us为高频逆变电源，C1为一次侧谐振电路补偿电容，C2为二次侧电路补偿电容，RL为二次侧所接负载，一次侧和二次侧通过磁耦合谐振进行能量无线传输。

MCRWPT系统传输的电磁耦合机构设计决定系统的电磁耦合方式和能量传输形式，因此，电磁耦合机构选型设计是MCRWPT系统最为关键的部分之一。

图1 典型MCRWPT工作原理

电磁耦合机构是MCRWPT系统能量传输的关键部分，根据不同的应用场景和应用需求，MCRWPT系统的电磁耦合机构可以设计为不同的形状、结构和排列方式。

平面形线圈的磁感应强度由内到外依次减小，线圈中心磁感应强度最大。平面形线圈具有体积小、易于集成化、品质因数大和可植入性良好的优点，被广泛应用于手机、计算机、可植入式医疗设备、电动汽车等设备的无线充电。图2所示为典型的两线圈结构平面盘式耦合线圈WPT系统。

基于平面形线圈可拓展多种适合其他应用场景的平面盘式和平面螺旋式线圈耦合结构。2013年东南大学电气工程学院提出一种平面螺旋耦合机构优化设计方法，将耦合系数与衰减率和匝数设计相结合进行约束条件和设计目标优化，通过实验验证了这种优化设计可有效地提高WPT系统的传输效率，图3所示为经过匝数优化设计WPT系统。

图2 平面盘式耦合线圈WPT系统

2018年天津大学提出一种多耦合机构WPT系统，通过控制手段实现对二次侧多负载设备进行充电，并通过调整电容阵列实现谐振匹配以保证系统始终工作在较高传输效率下，图4所示为多线圈形式的平面螺旋线圈结构WPT系统。

2019年印度SRM科学技术研究所提出一种双绕线型阿基米德螺旋线圈的自谐振WPT方法，利用高温超导铜线圈在谐振频率为25kHz下实现PTE为49.8%，图5所示为双绕线平面螺旋线圈。

图3 匝数优化设计WPT系统

图4 多线圈结构WPT系统

图5 双绕线平面盘式线圈

通过优化设计线圈结构、增加传输通道上的介质磁导率和改变线圈空间排列方式等方法能够进一步提高耦合机构的耦合系数，从而提升传输效率。

2016年重庆大学提出一种U形排列方式的三线圈WPT系统，如图6所示，与双线圈对称分布的耦合结构相比，U形排列方式可以使传递效率提高10倍以上，在同样的传输功率和PTE情况下，线圈尺寸减小66%，通过实验验证U形排列方式不但提高了传输功率和PTE，而且保证了电能传输方向上的清洁。

2018年韩国延世大学设计的矩形平面盘式线圈通过串联小线圈的方法实现了耦合机构的高品质因数和相对均匀的磁场分布如图7所示。这种设计方案可以增强耦合机构的自由度并提高PTE，实验结果表明，在50mm和300mm的传输距离下可以实现PTE分别为96%和39%。

2018年韩国高等科学技术学院提出一种在线圈周边增加T形铁氧体来增强耦合机构之间的互感系数从而增强系统的磁场强度系统如图8所示。通过实验验证了当加入T形铁氧体后互感系数增加了30.4%，并成功地实现了以71%的PTE传输205W的电能。

2018年北京航空航天大学提出一种矩形平面多回路印制盘式线圈如图9所示。多回路技术应用多个不同大小的回路，可以根据耦合机构之间距离调整耦合系数，通过实验在100mm和250mm传输距离下实现的PTE分别为88.7%和46.2%。

圆柱形螺旋线圈边缘磁场强度大于中心磁场强度，圆柱形螺旋线圈相较于平面形线圈的耦合系数和品质因数相对较低，但是通过改变排列方式、增加中继线圈以及在线圈中心增加导磁介质等方式都可以提高线圈耦合系数和品质因数以适应不同应用场景，丰富了WPT系统应用范围。

图6 U形阵列线圈WPT系统

图7 串接小线圈的矩形平面螺旋线圈

图8 增加T形铁氧体线圈结构的WPT系统

图10所示为2007年MIT首次实现MCRWPT的成功实例，用两个圆柱形螺旋线圈实现了在2m传输距离下以40%的PTE成功点亮了一盏60W灯泡。

2012年美国卡耐基梅隆大学提出一种适用于多负载场景的分布式多线圈WPT系统如图11所示。图中，心线圈为发射线圈，中间两线圈为中继线圈，远端两线圈为接收线圈，线圈中间分布4个小功率负载，电能传输过程中弱导电物体对系统电能传输影响较小，并通过实验实现了在6.2ft（1ft= 0.304 8m）距离下为6个负载传输15mW功率电能。

2015年美国匹兹堡迪士尼研究中心通过在封闭金属空间内分布多个圆柱形螺旋线圈，封闭式谐振腔多负载WPT系统如图12所示。使整个封闭空间分布磁场，可以为空间内多个接收线圈同时提供电能，通过实验实现了在140ft3（1ft3=0.028 316 8m3）的封闭空间内的任何位置为一个直径为3in（1in= 0.025 4m）的接收线圈实现PTE超过50%的电能供应。

图9 矩形平面印制多回路螺旋线圈

图10 MIT无线电能传输实验装置

图11 分布式多线圈WPT系统

通过在传输通道上增加导磁介质可以降低漏磁，提升系统传输性能。2016年韩国高等科学技术研究院设计了一种六自由度多方向发射线圈，六自由度多线圈WPT系统如图13所示。

通过将线圈绕制在导磁铁心上可以同时给不同方向多个接收线圈传输电能，由于发射线圈分布在不同位置和方向，因此在线圈周围形成一个球状磁场，可以为磁场范围内多个接收线圈形成耦合实现电能传输，并通过实验验证了以最大PTE为33.6%的情况下传输100W的电功率，为多负载电能无线传输提供一个可行方案。

2019年河南师范大学提供一种新型铁氧体铁心的螺旋线圈WPT系统如图14所示，与空芯螺旋线圈相比，系统传输功率平均提高了80%，在PTE为35%时，传输距离可以从10mm提高到34mm。

图12 封闭式谐振腔多负载WPT系统

图13 六自由度多线圈WPT系统

图14 圆柱形铁氧体铁心螺旋线圈WPT系统

2019年天津大学提出一种带长方体铁心的双线圈WPT系统如图15所示，由于磁性材料的限制，系统的最大工作频率应小于1MHz，若采用频率更高、损耗更低的铁氧体铁心，可以进一步提高系统的传输性能。该系统有效地提高了电能传输的功率、效率和距离，通过实验成功实现了将10.3W功率电能在20kHz工作频率下传输7m的距离。

图15 带长方体铁心的双线圈WPT系统

本文编自2020年第20期《电工技术学报》，论文标题为“磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态”，作者为贾金亮、闫晓强。

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