短分段式动态无线传能耦合机构的设计与优化文献综述

文献综述（或调研报告）：

随着人们对环境保护的日益重视，传统化石燃料由于空气污染和温室效应，使用量逐渐减少，而较为清洁的电能则在人们日常生活和工业生产中扮演着日益重要的角色。在这样的大环境下，无线电能传输技术（Wireless Power Transmission，WPT）应运而生，该技术实现了电能的无线传输，相比较传统的依靠导体线的电能传输方式，其灵活性、安全性、便捷性均有了较大提升。无线电能传输技术分为静态无线电能传输与动态无线电能传输，静态WPT技术发展已经较为成熟，其已经应用在了电动汽车充电、手机充电等方面。而动态WPT技术是一项更为前沿的技术，其允许电能接受设备在一定范围内运动的同时完成无线电能传输，若将其利用在电动汽车充电等领域，可以有效解决电动汽车电池容量不足、续航里程短的问题。

磁耦合机构在动态WPT系统中实现能量的无线传输环节，因此，磁耦合机构的性能直接影响着整个WPT系统的性能，如系统的工作效率、传输范围、传输功率等指标。对于动态WPT系统，其接收端结构与静态WPT系统基本相同，其主要着眼点在于发射机构的设计，接下来介绍动态WPT系统中磁耦合机构的相关情况。

目前常见的发射机构主要有长导轨、短分段式导轨这两种形式，其各有优缺点。对于长导轨式发射线圈，整个充电区域内仅有一条独立的充电导轨，因此当车辆在该区域充电时，可以保证稳定的功率传输，但与此同时带来的问题是没有车辆存在的区域存在的漏磁场，损耗较大使得整个系统效率较低。短分段式导轨由一系列相互独立的短导轨组成，只有当有待充电车辆移动到该段导轨的上方时，该线圈才通电工作，这样使得没有车辆的区域几乎不存在漏磁场，整个系统的效率也较高，但与此同时带来的问题是发射线圈改变时带来的功率传输波动较大，影响系统性能，此外，每个独立线圈都要配备相应的逆变器和控制器，使得系统成本大幅提高，因此，通过合理的设计与优化加强其优点，弥补其缺点具有重要的意义。本课题主要关注短分段式动态无线电能传输磁耦合机构的设计与优化。

目前在动态无线电能传输短分段式发射导轨的设计上已有部分研究。新西兰奥克兰大学首先提出了利用分立矩形长线圈导轨实现动态电能传输，系统通过通信设备获取待充电汽车位置信息从而对发射导轨进行控制^[1] 。这种结构的线圈原理简单，易于控制，但与此同时带来了三个显著问题：其一是汽车行驶过程中，由于路况和驾驶者的驾驶技术，车辆不可能始终保持在最佳充电位置，当发生横向偏移时系统工作情况较差；其二是两段相邻的导轨换流时，给车辆带来了较大的充电功率波动和电压波动；其三，众多的分立导轨每段都需要一个配套的逆变器，系统成本较高。

针对第一个问题，奥克兰大学的研究者首先提出了三相式充电导轨^[4]，拓宽了充电区域。之后，他们提出了更具有建设性意义的DD结构线圈^[2]和DDQ结构线圈^[3]，显著的提高了系统对横向偏移的容忍度。在此基础上，其又提出了BP型线圈,这种结构的线圈与DDQ线圈具有相似的抗横向偏移能力，但节省了约25%~30%的铜料^[5]。国内如重庆大学的研究者也提出了由4个矩形螺旋线圈组成的DLDD型线圈^[6]，也提高了系统对横向偏移的容忍度。从另一个角度入手，部分研究者提出通过优化电路拓扑改善此问题。文献[7]提出了一种新型的串联混合补偿结构，使得线圈发生横向、纵向、垂直三维偏移时的功率波动均可减小，在一定范围内功率波动在5%之内。华中科技大学的研究者提出了利用优化SS补偿型WPT系统初级侧补偿电容的方法提高动态系统的横向偏移容忍度^[8]。该系统发生垂直偏移60%、横向偏移40%耦合系数变化200%时系统的功率波动不超过10%^[8]。针对第二个问题，部分专家学者也进行了相关研究。重庆大学的研究者提出了一种“渗透型线圈”来改善导轨换流时接收侧失压的问题^[6]。该方法通过改变了换流区域的线圈形状，同时附加功率补偿线圈改善了该问题。而美国橡树林国家实验室则提出利用超级电容滤波来改善这种功率波动，且取得了较好效果，接受侧功率波动降低了84%^[9]。文献[10]则从改变换流的控制策略出发，提出基于磁场近似原理的换流策略与实现方法，提高了相邻导轨切换时功率传输的稳定性。而针对第三个问题，从降低逆变器、控制器的数量的角度出发，哈尔滨工业大学的学者提出了初级绕组并联的动态无线电能传输结构，多个导轨共用一台逆变器，从而降低了系统成本^[18]。

对于动态WPT所用的车载接收耦合装置，其结构与静态WPT系统相似。文献[11]提出了基本的利用矩形正交线圈作为接收装置，但其与发射端矩形轨道的形状不同，设计为宽度较宽而长度较短的非对称线圈更有利于动态无线电能传输。奥克兰大学则仍然使用其提出的DDQ型线圈作为接收机构，配合DD型或DDQ型发射轨道使得整个系统对横向偏移的容忍度提高^[2,3]。文献[12]则提出了一种二维拾取线圈，其可以同时耦合到横向与纵向磁场，从而提高系统对垂直偏移与水平偏移的容忍度。

除这些问题以外，还有部分研究者从优化动态WPT系统的其他性能出发，提出了相应的设计方案。如文献[16]提出了通过利用中间线圈来提高系统的效率，其通过附加线圈提高了耦合系数，实现了200mm气隙下3.7kW样机效率为97.08%的无线电能传输。文献[17]则提出了一种双向WPT系统，并建立数学模型说明了可以通过控制逆变器输出电压的幅值和相位来控制功率流动的大小和方向。

对于动态WPT系统的磁耦合机构，除了谐振线圈本身的设计外，电路谐振补偿拓扑的设计也十分重要。根据谐振线圈与调谐电容的连接方式，可以简单分为串联—串联(SS)、串联—并联(SP)、并联—串联(PS)、并联—并联(PP) 这4种基本拓扑^[13-15]。再根据输入电源的特性，如电流源（I）与电压源（V），可将其分为V-SS,V-SP,V-PS,V-PP, I-SS,I-SP,I-PS,I-PP拓扑^[13]。这些拓扑会各自表现出一定特点，如V-SP 拓扑具有恒压输出特性,且不受负载与耦合系数的影响^[13]。除此之外，复合补偿拓扑也相继被提出，如当WPT系统发射端采用电感—电容—电感(LCL)拓扑进行谐振补偿时,发射谐振器表现出恒流特性,不随系统耦合程度及接收端参数的变化而变化;当接收端采用 LCL 拓扑匹配谐振时,接收端负载中的电流保持恒定,这可应用于电池性负载的恒流充电中^[13]，因此，这种拓扑适合于电动汽车的充电过程。这些补偿网络均可应用于静态和动态无线电能传输。