近年來，多負載磁耦合無線電能傳輸技術(shù)已成為一個研究熱點，其中系統(tǒng)拓撲是一個關(guān)鍵的研究內(nèi)容，決定了該技術(shù)是否能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。為此，華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員孫淑彬、張波、李建國、疏許健、榮超，在2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，對多負載磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)拓撲進行梳理和分析。

研究人員首先將多負載磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)拓撲進行分類，進而對單電容補償型、高階阻抗匹配型、多米諾結(jié)構(gòu)型和多通道型等拓撲進行分析；接著，根據(jù)電源和發(fā)射線圈數(shù)量、補償網(wǎng)絡(luò)類型、系統(tǒng)構(gòu)造方式和功率傳輸方法，分別介紹主要類型拓撲的工作原理、優(yōu)缺點或適用場合；最后，提出多負載磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)拓撲所面臨的問題，并展望了未來發(fā)展趨勢。

在無線充電車道上行駛的自主混合動力卡車車隊Fleet of autonomous hybrid

基于磁場耦合式的無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)實現(xiàn)了能量的無線傳輸，幫助人們擺脫了電纜的束縛，給人類社會帶來諸多便利。相比于單負載WPT技術(shù)，多負載WPT技術(shù)具有功率密度更大、激勵源利用率更高和接收負載空間位置更自由等優(yōu)勢，成為近年來的研究熱點。

然而由于負載的多樣性和傳輸線圈之間存在磁場的交叉耦合等因素，多負載WPT技術(shù)面臨諸多問題：①發(fā)射線圈或接收線圈之間的交叉耦合導(dǎo)致系統(tǒng)失諧造成系統(tǒng)性能惡化；②接收負載之間相互干擾導(dǎo)致控制策略復(fù)雜；③各個負載的接收功率難以按需分配使得該技術(shù)的實用化進展變緩；④系統(tǒng)的輸出特性和傳輸性能對工作條件非常敏感，限制了該技術(shù)的應(yīng)用；⑤增加傳輸線圈導(dǎo)致系統(tǒng)寄生電阻造成的損耗增加使發(fā)熱問題突出。

盡管如此，該技術(shù)因其潛在的優(yōu)勢與應(yīng)用前景依然得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，并開始被應(yīng)用于便攜式設(shè)備、智能家居、醫(yī)療器械和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。

業(yè)內(nèi)學(xué)者從控制策略設(shè)計、逆變器優(yōu)化、傳輸線圈設(shè)計、系統(tǒng)拓撲創(chuàng)新等方面對多負載WPT技術(shù)做了大量研究，加快了該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的進程。其中系統(tǒng)拓撲的創(chuàng)新作為一個關(guān)鍵的研究內(nèi)容，很大程度上決定了該技術(shù)能否適用于不同的應(yīng)用場景?，F(xiàn)有的單負載WPT拓撲經(jīng)常成為多負載WPT拓撲創(chuàng)新的靈感來源，但與前者相比，后者的拓撲更加多樣、理論分析更加復(fù)雜、優(yōu)化難度更大。

經(jīng)過十余年發(fā)展，多負載WPT技術(shù)在拓撲創(chuàng)新方面碩果累累。華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員從該角度對現(xiàn)有研究成果及其原理進行了梳理，提出了一種有效的分類方法，有助于給多負載WPT系統(tǒng)拓撲的相關(guān)研究提供參考。總體可將多負載WPT系統(tǒng)拓撲分為五大類，每一大類又可細分為多種小類，具體如圖1所示。他們首先針對不同類型的WPT拓撲的機理和特性做詳細闡述，然后指出多負載WPT系統(tǒng)拓撲面臨的問題，最后展望未來的發(fā)展趨勢。

圖1 多負載磁耦合WPT系統(tǒng)拓撲分類

在拓撲方面，研究人員主要從阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)/補償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的電路關(guān)系、發(fā)射源等方面，對多負載磁耦合WPT拓撲進行改進，從而改善或解決特定問題。本研究所涉及的多負載WPT拓撲特性、優(yōu)缺點及其適用場合總結(jié)見表1。

表1 多負載磁耦合WPT拓撲特性總結(jié)

抑制甚至消除交叉耦合干擾、實現(xiàn)接收功率的按需分配是多負載磁耦合WPT系統(tǒng)的重要問題，研究人員把現(xiàn)有拓撲所采用的解決方法總結(jié)如下：

1）為消除線圈間交叉耦合的影響，解決方式主要有線圈特殊設(shè)計、補償電路調(diào)節(jié)、多通道傳輸。線圈設(shè)計主要依賴于線圈形狀和屏蔽磁心的特殊設(shè)計與位置的垂直或遠距離擺放，改善磁場分布進而抑制交叉耦合的影響；補償電路調(diào)節(jié)通過改變電路等效阻抗，進而抵消交叉耦合變量；多通道傳輸利用多個不同頻率傳輸能量，接收線圈電路的自然頻率各不相同，從而減少了不同線圈間的交叉耦合。

2）實現(xiàn)功率分配的主要方式有等效負載阻抗調(diào)節(jié)與調(diào)頻傳輸。等效負載阻抗調(diào)節(jié)需要在接收側(cè)配置有源整流電路或升降壓、降壓等直流變換器，使用相關(guān)算法控制變換器從而獲得最優(yōu)的等效負載阻抗，以實現(xiàn)功率的按需分配。調(diào)頻傳輸利用能量易流向相近自然頻率接收電路的特性，使能量流向目標(biāo)負載。

研究人員指出，為適應(yīng)不同應(yīng)用場景，多負載WPT技術(shù)涌現(xiàn)了許多不同類型的拓撲。他們對各類型多負載WPT拓撲潛在的應(yīng)用前景進行了展望：

1）單電容補償型：該類拓撲能構(gòu)成發(fā)射線圈陣列并擴大有效工作范圍，可應(yīng)用于智能家居產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，提高生活便捷程度。

2）高階阻抗匹配型：該類拓撲可實現(xiàn)恒壓/恒流輸出與負載無關(guān)工作特性，同時系統(tǒng)工作頻率較寬泛，可適用于電動汽車充電等電池動態(tài)充電場景。

3）多米諾結(jié)構(gòu)型：該類拓撲有望實現(xiàn)長距離無線中繼供電，可應(yīng)用于礦井照明設(shè)施、地鐵線路設(shè)備等場合，降低線纜鋪設(shè)成本與維護難度。

4）多通道型：該類拓撲能為不同類型的負載同時進行無線充電，可應(yīng)用于常見的消費電子產(chǎn)品（如智能手表、智能手機、藍牙耳機等），構(gòu)建統(tǒng)一通用的多智能設(shè)備無線充電平臺。

他們接著表示，盡管目前已有眾多研究成果，但多負載WPT拓撲仍然存在著系統(tǒng)整體效率不高、發(fā)熱嚴(yán)重、占用空間過大、傳輸距離有限、接收負載位置自由度不足、功率分配不合理、接收側(cè)互相干擾或輸出對負載條件較為敏感等問題。

多負載WPT拓撲的發(fā)展，需進一步完善以下四個方面：

1）有源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新和完善。無源IMN能夠?qū)崿F(xiàn)負載無關(guān)的輸出特性，但無法實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的有源IMN一定程度上能夠用于調(diào)節(jié)功率的合理分配、校正參數(shù)漂移或提高系統(tǒng)電壓電流增益，但對工作條件的要求比較苛刻，且大多數(shù)只能犧牲其他需求而滿足部分要求。因此，對有源IMN進一步探索，深入發(fā)揮其連續(xù)性調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，挖掘其“身兼多職”的潛在能力，即令其同時滿足多種需求，是未來的發(fā)展趨勢之一。

2）系統(tǒng)兼容性的進一步提升。隨著電子設(shè)備、電動工具、便攜式醫(yī)療器械和電動汽車等產(chǎn)品的進一步普及，已形成多種WPT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且各個標(biāo)準(zhǔn)之間工作頻率等設(shè)計指標(biāo)大相徑庭。采用混頻交流源有助于兼容這些標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)有的研究成果依然存在系統(tǒng)頻率的數(shù)量較少、只能涵蓋個別標(biāo)準(zhǔn)的問題。需要進一步對混頻交流源和發(fā)射器開展研究。

3）接收負載位置自由度的提高。目前多負載WPT技術(shù)的實際應(yīng)用難以實現(xiàn)接收負載的遠距離和任意角度的充電，平面發(fā)射陣列和三維發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)有利于改善這個問題，但依然受到充電功率、位置、角度和距離的限制。發(fā)明一種能夠結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點的新型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，以及控制算法的定位功能，或者基于新型WPT機理（如近年來出現(xiàn)的毫米波技術(shù)），進而實現(xiàn)接收負載的全方位快速充電，將會是未來的發(fā)展趨勢之一。

4）系統(tǒng)性能如傳輸效率和整機效率的優(yōu)化。由于高頻條件下導(dǎo)線的寄生參數(shù)、功率器件的損耗，多負載WPT系統(tǒng)存在發(fā)熱嚴(yán)重、參數(shù)漂移和效率不高等問題。然而，這些問題將隨著超導(dǎo)材料和新型功率器件（如石墨烯、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等）的發(fā)展逐漸得到解決，新型高效的多負載WPT拓撲將被提出，相應(yīng)技術(shù)將走向高性能化、小型化和高功率密度化應(yīng)用。

本文編自2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“多負載磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的拓撲發(fā)展和分析”。第一作者為孫淑彬，1994年生，碩士，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)。通訊作者為張波，1962年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動。本課題得到了國家自然科學(xué)基金重點資助項目的支持。