無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）技術(shù)是借助空間無形軟介質(zhì)（電場或磁場）將能量從發(fā)射端以無電氣連接的形式傳遞至拾取端的全新電能傳輸技術(shù)，其應(yīng)用使得用電設(shè)備避免金屬觸點(diǎn)拔插打火、磨損以及漏電等弊端，擺脫線纜的約束。在植入式醫(yī)療器械、電動汽車充電、LED燈飾和軌道交通等諸多重要應(yīng)用中有著獨(dú)特的優(yōu)勢以及廣闊的前景。

常見的無線電能傳輸方式主要分為磁場耦合式（Inductive Power Transfer, IPT）和電場耦合式（Contactless Power Transfer,CPT）。IPT系統(tǒng)采用高頻交變磁場傳遞能量，隨著半導(dǎo)體功率開關(guān)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用最為廣泛，目前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)集中于磁場耦合方式。

但是在軌道交通等大功率非接觸供電領(lǐng)域中，機(jī)車車體和軌道通常由鋼材或鋁合金材料構(gòu)成，IPT系統(tǒng)對金屬較敏感，會引起金屬發(fā)熱產(chǎn)生渦流損耗，使得傳輸效率下降。同時其耦合機(jī)構(gòu)需要使用鐵氧體材料和利茲線來繞制，增加了重量和成本。

而CPT系統(tǒng)以高頻電場作為載能介質(zhì)，僅用輕薄廉價的鋁板或銅板作為耦合機(jī)構(gòu)，在周圍存在金屬物體時，泄漏電場不會在其中引起渦流損耗，具有良好的傳導(dǎo)性且耦合機(jī)構(gòu)的成本較低、重量較輕。因此逐漸吸引了國內(nèi)外研究團(tuán)隊對CPT技術(shù)展開研究。

• 過去基于CTP的無線電能傳輸研究多集中于小功率系統(tǒng)，大功率的研究和應(yīng)用很少，直到2015年末圣地亞哥州立大學(xué)C. Mi教授針對電動汽車充電應(yīng)用場合，通過優(yōu)化傳統(tǒng)LC串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方式，提出雙邊LCLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸距離為150 mm時傳遞2.4kW的能量，效率達(dá)90.8%。
• 有學(xué)者通過優(yōu)化設(shè)計CPT系統(tǒng)單管ZVS變換器，在耦合電容為24nF的條件下，實(shí)現(xiàn)kW級的功率傳輸。
• 有學(xué)者為了節(jié)省空間，將耦合極板垂直排列，采用雙邊LCL拓?fù)溲a(bǔ)償結(jié)構(gòu)提高極板兩端電壓以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，在空氣間隙為150 mm的情況下傳遞了1.88 kW的能量，效率達(dá)85.87%。

將CPT系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通等大功率場合供電時，要求實(shí)現(xiàn)大功率電能的非接觸傳輸。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于逆變器及功率開關(guān)器件的容量有限，單個逆變器較難滿足CPT系統(tǒng)大功率電能傳輸?shù)囊螅虼擞斜匾诂F(xiàn)有開關(guān)器件和逆變器水平條件下，研究增大逆變器總?cè)萘康姆椒▉硖嵘鼵PT系統(tǒng)的傳輸功率。

本文針對軌道交通大功率應(yīng)用場合，提出一種雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，通過將兩個逆變器并聯(lián)，降低功率開關(guān)管電流來提升系統(tǒng)輸入功率，從而提高CPT系統(tǒng)的傳輸功率。此外，本文采用基波近似法（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）分析電路工作原理，考慮雙發(fā)射機(jī)構(gòu)間相互耦合的影響，合理地配置系統(tǒng)參數(shù)，使電路達(dá)到諧振狀態(tài)。最后，本文搭建了1.47kW輸出的雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，與單發(fā)射單接收進(jìn)行對比實(shí)驗驗證，表明該方法的有效性。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖

圖8 雙發(fā)射實(shí)驗裝置

結(jié)論

針對傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)單個逆變器傳輸?shù)哪芰坎荒軡M足實(shí)際軌道交通大功率需求的問題，本文在六極板耦合電容結(jié)構(gòu)簡化為三端口電路模型的基礎(chǔ)上，提出了一種雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，通過提升逆變器輸入功率總?cè)萘康姆绞剑瑢?shí)現(xiàn)大功率輸出。

采用有限元分析法在Maxwell中仿真得到極板耦合電容值，實(shí)驗搭建了傳輸距離為22mm的雙發(fā)射單接收與同發(fā)射面積、同傳輸距離的單發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，均實(shí)現(xiàn)了1.47kW大功率能量傳輸。

本文具有如下特點(diǎn)：

• 1）提出采用逆變器并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)CPT系統(tǒng)功率提升。在相同逆變器、開關(guān)器件、補(bǔ)償電感電容和端口電壓的容量限制條件下，通過增加逆變器數(shù)量，使流過開關(guān)管的電流減半，從而提升系統(tǒng)輸入功率，達(dá)到提升CPT系統(tǒng)傳輸功率的目的。
• 2）提出了一種雙發(fā)射單接收耦合極板的等效電路模型，可將六極板結(jié)構(gòu)15個耦合電容簡化成三端口受控源模型。
• 3）考慮雙發(fā)射機(jī)構(gòu)間的相互耦合電容影響，給出系統(tǒng)諧振電路參數(shù)配置方法。