無線電能傳輸中線圈設計對效率的影響綜述

李素環 廖承林,2 王麗芳*,2 郭彥杰,2 朱慶偉

（1.中國科學院電工研究所 中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室 北京 100190 2.北京電動車輛協同創新中心 北京 100081）

1 引言

近年來隨著人類的發展社會的進步，無線電能傳輸越來越得到人們的關注。無線電能傳輸（wireless power transfer,WPT），又稱為非接觸式電能傳輸（contactless power transfer,CPT），指的是電能可以從電源到負載的一種沒有經過導線的能量傳輸方式。無線電能傳輸技術主要有四種實現方式：電磁輻射式（無線電波、激光），電場耦合式，磁場耦合式（感應式、諧振式），超聲波等。電場耦合式無線電能傳輸中，電源側的金屬平板和負載側的金屬平板形成電容，利用電容的電場進行電能傳輸。由于電場對人體的危害比磁場嚴重，因此目前研究得比較少；輻射式傳輸雖然能夠實現遠距離的無線電能傳輸，但是其復雜的跟蹤定位系統以及較低的傳輸效率，影響了其發展[1]。

目前磁耦合無線電能傳輸是人們關注的熱點，這種傳輸方式受到的關注較多。它是利用電源側的線圈產生交變磁場，通過磁場耦合到負載側的線圈，從而進行能量的傳遞。根據線圈中是否發生諧振，以及傳輸距離相較于線圈尺寸的大小，可以分為感應式和諧振式兩種。磁耦合感應式無線電能傳輸（magnetically-coupled inductive wireless power transfer,MCI-WPT）技術，是利用電磁感應原理。該技術是將兩個線圈放置于鄰近位置上，當電流在一個線圈中流動時，所產生的磁通量成為媒介，導致另一個線圈中也產生電動勢，這種技術的優點是可以達到較大的功率以及非接觸式帶來的優勢，但是能量傳輸距離都很近，被限制在毫米等級，且當距離增大后，傳輸效率急劇下降[1-2]。而磁耦合諧振式無線電能傳輸（magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT）則利用諧振原理兩個具有相同諧振頻率的振蕩器，在相距一定的距離時，經磁場耦合產生諧振實現能量傳遞，能量傳遞的介質是中高頻磁場。其基本思想是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可以實現耦合諧振并進行高效率的能量交換，而不同頻率物體之間的相互作用較弱，系統原理性結構組成如圖1 所示。

圖1 磁耦合諧振式無線能量傳輸示意圖Fig.1 A sketch map of magnetically-coupled resonant wireless power transfer

本文對無線電能傳輸技術進行了簡單的綜述，并介紹了作為研究焦點的磁耦合式無線電能傳輸技術的基本原理和系統結構，尤其是線圈部分的設計與優化。最后總結了現階段磁耦合式無線電能傳輸系統線圈設計的各類方法，并對未來無線電能傳輸領域的發展做出了展望。

2 基本原理與研究方法

2.1 基本原理

磁感應式無線電能傳輸機理類似于可分離變壓器[3-4]。基于分離式變壓器的非接觸供電電路示意圖如圖2 所示，整個電路由交流電源、一次整流濾波、高頻逆變、分離式變壓器、二次整流濾波和負載組成。交流電源產生的交流電壓經整流濾波后得到直流電壓，再經高頻逆變裝置將直流逆變為高頻交流，這種高頻交變電流經一次發送線圈向外界輻射電磁能量，通過分離式變壓器的一二次線圈間的電磁耦合，二次接收線圈中將產生同頻率的交變電流，得到感應電壓，經二次整流電路整流后對負載供電[2]。

圖2 基于分離式變壓器的無線電能傳輸示意Fig.2 Based on the separated type transformer of wireless power transfer schematic diagram

諧振式無線電能傳輸方案是在電磁感應方案的基礎上提出的，其在一定程度上解決了后者傳輸距離近和傳輸效率低的問題。這種方案利用發射線圈的電感和串聯的電容形成共振回路，在接收端也組成同樣共振頻率的接收回路，利用諧振形成的強磁耦合來實現高效率的無限電能傳輸[1]。是近區場電磁耦合特性，電磁能量在輻射源周圍空間以及輻射源內部之間周期性的流動。因電場主要被束縛在電容器內部，所以在發射線圈周圍形成了非輻射的交變磁場并用來進行能量傳輸。

2.2 研究方法

目前，在磁耦合無線功率傳輸（wireless power transmission,WPT）這一領域的理論研究工具可分為兩大類，即時域的耦合模理論[1,6-7]和頻域的集總參數電路理論[1]。這兩種方法雖然研究角度不同但相互等效，而后者更為電力電子工程技術人員所熟悉[5]。只要滿足了近場、無輻射的條件，穩態下電路理論和耦合模理論得出的結果，包括傳輸效率、功率等都是一致的。

3 磁耦合線圈設計

由文中第二部分介紹可知磁耦合感應式無線電能傳輸（MCI-WPT）機理類似于可分離變壓器[3-4]。氣隙部分代替了鐵心，導致了磁力線沒有定向的通道和負載側的線圈相鉸鏈。因此只有在較短的距離下，才能實現較大功率和較高效率的傳輸。當距離增大后，傳輸效率急速下降。該無線電能傳輸方式一般只有在小于傳輸線圈直徑的傳輸距離下，才能達到較高的效率和較大的功率[1]。

磁耦合諧振式無線電能傳輸MCR-WPT 技術通過2 個諧振在相同頻率上的電感線圈之間的近場磁耦合來短距離傳遞能量，這種雙線圈的磁耦合諧振系統，存在一個被稱為臨界耦合的最佳工作狀態，如果超出這個范圍，磁耦合迅速減弱，導致傳輸效率和負載功率迅速下降，傳輸性能急劇惡化[5]。所以優化線圈設計可提高傳輸效率。

因為線圈的設計是WPT 的關鍵技術之一，高品質因數的線圈對系統的傳輸性能包括傳輸距離，傳輸效率，傳輸功率等有很大的影響。優化線圈設計對傳輸效率至關重要。文獻8 中介紹了線圈各因素對效率影響的具體分析。本文將對線圈各種優化方法進行整理比較，為以后的無線傳輸選擇合適的線圈優化方法。

3.1 磁耦合感應式的線圈設計

要想提高無線能量的傳輸效率，可從兩方面進行：一是提高線圈的耦合系數；二是解決充電系統中的磁通分布不均的問題，使得不同位置的接收線圈均能得到有效的磁通耦合，提高系統電能轉換效率，通過增加原、副邊的磁芯正對面積，提高全耦合磁通的比例，提高了耦合系數[9]；香港城市大學的S.Y.PonHui 教授利用多層PCB 繞組，通過磁場的交錯巧妙的解決了磁通分布不均的問題，又提出由集中繞組和螺旋繞組構成復合繞組，將兩種磁通分布特性不同的繞組結構組合，使得充電平臺中的磁場均勻分布。

功率傳輸效率（PTE）和傳輸到負載的功率（PDL）是感應式傳輸的兩個關鍵設計參數，需要這兩個之間取得平衡，因為高PTE 會降低PDL，反之亦然。因此提出一個新的品質因數（FoM），可以確定特定應用程序需要一個兩線圈或三線圈或者四線圈，然后通過一個迭代設計過程達到最優的線圈形狀。該品質因數表明，雙線圈適合強耦合線圈及大PDL 的情況；三線圈在松散耦合并且耦合距離變化大以及一個大的PDL 情況下是最好的；四線圈在PTE 影響比較大、松散耦合及他們的相對距離和對齊方式是穩定的時候使用是最優的[10,11]。

可利用垂直方向的磁通量實現能量傳輸的方法，為提高充電效率，接收線圈的擺放應該與初級線圈平行（以接收更多的垂直方向的磁通量）。因此，為了使待充電設備的功率接收效率不因擺放位置的不同或者擺放方向的不同而不同，初級線圈所產生的磁感應強度的垂直分量的分布應盡可能均勻[12]。

還有一種初級線圈結構的設計，可通過電流圓線圈和螺旋線圈的組合產生均勻分布的磁場，并通過使用EMC scanner 測試進行了驗證。其示意圖如圖3 所示。該結構包括外側的電流圓線圈和中間的螺旋繞組兩個部分，其主要思想是通過合理的調整兩種線圈的參數，使得其合成的軸向磁感應強度接近均勻分布[13]。注：考慮實際制造和使用的方便性，用矩形線圈代替圓形線圈，線圈的四角用折線代替以減弱四角突變帶來影響。

圖3 Fig.3 Sketch of the circular hybrid structure in three-dimensional

3.2 磁耦合諧振式的線圈設計

由電路分析，由式（2）可知，導線半徑越小，線圈匝數越多，線圈本身損耗電阻R0很大，而這種損耗又不可避免。所以，在設計時應盡量選用粗導線，在保證需要的自諧振頻率情況下減少匝數，采用鍍銀銅線以增加導電率，降低線圈的自身損耗，從而提高效率。在同樣的互感值下，加大線圈半徑，可增加傳輸距離[14]。

式中，μ0為真空磁導率；a為導線半徑；r為線圈半徑；n為線圈匝數；σ為電導率；l為導線長度。

還可引入中繼線圈，文獻[5]從電路理論的角度出發，針對基于磁耦合諧振的無線能量傳輸系統的單中繼線圈諧振器的無線能量傳輸系統做了較詳細的研究，給出了這種三線圈（發射–中繼–接收）無線能量傳輸系統的臨界耦合條件和接收端負載功率最大化條件。通過在發射線圈和接收線圈之間增加一個同諧振頻率的線圈，可以很大程度地提高能量轉換效率[15]，雖然四諧振線圈結構相比兩諧振線圈結構能夠在大的傳輸距離上取得較高的傳輸效率，但是傳輸功率相對不高[16]。而在兩線圈結構的基礎上，增加1 個中繼諧振線圈，在保持傳輸效率與之可相比擬的情況下，能更大地提高傳輸功率；在四線圈結構基礎上，相比于沒有中繼諧振線圈的情況，增加1 個中繼諧振線圈能在一定程度上提高傳輸效率[17]。文獻[18]通過對中繼諧振器網絡進行理論分析和軟件仿真，提出了中繼諧振器使用數量和擺放方位的優化策略[1]。

雖然MCR-WPT 對方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，并且有些場合需要按照特定路徑進行能量傳輸。為了更好的實現能量的定向傳輸，可以使用多線圈設計來改變能量傳輸路徑。還可以通過增加小型中繼諧振線圈，可以使得能量按照曲線路徑進行傳播，通過改變不同中繼線圈的空間布局，從而達到改變能量傳輸路徑的效果[15]，在多米諾結構下，圖4 所示，中間線圈的擺放朝向、間距等對對傳輸效率的影響。

圖4 Domino 線圈結構Fig.4 Domino coil structure

下面分析一下應用比較多的四線圈結構，又稱雙增強線圈結構，可以在初次級線圈之間增加線圈以增大傳輸效率[19]。高品質因數的增強線圈能彌補無線供電系統中耦合系數小的不足，四線圈電磁諧振式無線供電系統為研究對象，對增加線圈在電磁諧振式無線供電系統中的作用進行了研究。實驗結果表明，在無線供電系統中的適當位置加入增強線圈能有效地增大輸出電壓；增強線圈的品質因數越大，系統的傳輸性能越好[19]。

最后比較了兩線圈結構和四線圈結構的特性，結果表明，在不降低傳輸效率的同時，四線圈結構由于增加了電源線圈和負載線圈，可以方便地進行電源匹配和負載匹配。在很大程度上隔離電源和負載對諧振線圈的影響。

還有一種是多線圈結構，多線圈諧振無線能量傳輸系統可以在將傳輸距離延長數倍的同時只增加少量損耗；奇數個中繼線圈的多線圈諧振無線能量傳輸系統比擁有偶數個中繼線圈的多線圈諧振無線能量傳輸系統性能好，因為其可以在不同工作距離時具有相同的工作頻率。不少相關實驗室已經研究了陣列諧振器對傳輸效率的影響。三菱電子研究實驗室（Mitsubishi Electric Research Laboratories）B.Wang 等人提出基于陣列諧振器的磁耦合諧振WPT系統，研究發現當使用10 個陣列諧振器傳輸能量時傳輸效率大于85%[20]；日本東芝公司N.Oodachi等人提出采用發射器陣列的磁耦合諧振 WPT 系統，研究發現增加諧振線圈能提高傳輸效率，且發射器陣列在異相激勵模式下耦合系數較大[21]；韓國科學技術大學（University of Science &Technology）J.W.Kim 等人提出由5 個自諧振線圈和單個自諧振線圈構成的發射接收天線的磁耦合諧振WPT 系統，發現該系統可以以更低的諧振頻率取得較高的傳輸效率[22]。還可用自適應的調頻技術對系統進行優化改進。

文獻[23]還介紹了一種方法：發射線圈使用多捆純銅導線按照一定規律纏繞，形成多匝線圈，使用聚磁能力好的鐵氧體進行磁軛處理，選用高磁導率、高電阻率的鐵基納米晶材料，可以很好地設計磁路，降低磁漏。接收線圈同樣采用發射線圈相似的結構，然而接收線圈采用了塔形多層多捆純銅導線，按照一定規律纏繞。在現場試驗中，發射線圈的中心的磁場強度比較大，可使感應電勢連續分配。

4 結論

本文對無線電能傳輸技術進行了簡單的綜述，并介紹了作為研究焦點的磁耦合式無線電能傳輸技術的基本原理和系統結構，尤其是線圈部分的設計與優化。線圈的設計是無線電能傳輸的關鍵技術之一，高品質因數的線圈對系統的傳輸性能包括傳輸距離，傳輸效率，傳輸功率等有很大的影響。針對不同形式的磁耦合分析不同的設計方法對效率的影響。如線圈自身參數的設計，包括線圈的形狀、結構、匝數、匝間距、繞制方法、材料選擇等等，及諧振鏈路結構的設計，比如2 線圈、4 線圈的選擇，中繼線圈的引入，鐵氧體的使用，以及多發射線圈、多接收線圈系統的研究，本文主要對其各類方法進行了簡要說明。最后總結了現階段磁耦合式無線電能傳輸系統線圈設計的各類方法，并對未來無線電能傳輸領域的發展做出了展望。

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