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動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)，即移動(dòng)受電載體采用無(wú)線供電過(guò)程中電能發(fā)送端與接收端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情形，這種方式應(yīng)用在電動(dòng)汽車和有軌電車等城市交通領(lǐng)域能大幅度增加車輛的續(xù)航里程，而無(wú)需使用電池。此外，電能完全由埋在地面下的無(wú)線供電網(wǎng)絡(luò)提供，可提高地面空間資源的利用率。

然而，在路面凹凸不平、存在障礙物等情況下，汽車顛簸不可避免地導(dǎo)致收發(fā)線圈之間產(chǎn)生耦合角度，從而影響受電品質(zhì)。相關(guān)研究指出，由相對(duì)位置波動(dòng)引起的功率和效率波動(dòng)的本質(zhì)原因是收發(fā)線圈的互感發(fā)生變化，但并未提出有效的解決辦法。

采用多階梯型與相嵌式相結(jié)合的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，可用于提高接收線圈經(jīng)過(guò)發(fā)射端連接處時(shí)互感下降的問(wèn)題，但其設(shè)計(jì)方式過(guò)于繁瑣，使得操作復(fù)雜；T形抗偏移補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以平緩由于偏移距離變化而導(dǎo)致傳輸功率波動(dòng)的問(wèn)題，雖然此方法可以在寬偏移范圍內(nèi)保持傳輸功率穩(wěn)定，但收發(fā)端一旦產(chǎn)生耦合角度，此方法的有效性將大大降低；基于電磁定位的傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)受電體的位置，使其運(yùn)行在最佳耦合區(qū)，但同樣并未考慮收發(fā)端存在耦合角度這一情況。

綜上所述，針對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電過(guò)程中傳輸功率隨接收端位置變化而產(chǎn)生劇烈波動(dòng)的問(wèn)題，目前有效的辦法包括優(yōu)化設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)抗擾動(dòng)補(bǔ)償拓?fù)潆娐芬约巴ㄟ^(guò)安裝電磁定位傳感器對(duì)位置實(shí)時(shí)糾正等，但這些方法并未考慮收發(fā)線圈之間耦合角度所引起的系統(tǒng)能效波動(dòng)問(wèn)題。

河北工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)的研究人員針對(duì)移動(dòng)受電體動(dòng)態(tài)供電中由于電動(dòng)汽車顛簸造成收發(fā)線圈之間出現(xiàn)耦合角度，而影響受電體受電穩(wěn)定性的現(xiàn)象展開(kāi)研究。

圖1 磁耦合系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)

首先，他們推導(dǎo)了雙發(fā)射-單接收動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)功率解析表達(dá)式，得到耦合系數(shù)是影響系統(tǒng)能效的關(guān)鍵參數(shù)；其次，對(duì)實(shí)際應(yīng)用工況中存在的耦合角度與無(wú)耦合角度兩種狀態(tài)進(jìn)行分析，得到收發(fā)線圈間傳輸距離h和耦合角度是影響耦合系數(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵因素，并揭示了其影響機(jī)理；其后，提出接收側(cè)采用三單元交叉線圈結(jié)構(gòu)，以減小收發(fā)線圈間耦合角度引起的系統(tǒng)能效波動(dòng)；最后，通過(guò)與傳統(tǒng)式平面結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度特性對(duì)比，證實(shí)接收側(cè)采用三單元交叉線圈結(jié)構(gòu)可有效減小耦合角度對(duì)系統(tǒng)功率造成的影響。

圖2 磁場(chǎng)分布云圖

研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)在實(shí)際工作情形下存在耦合角度的問(wèn)題，進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，其研究結(jié)果如下：

圖3 動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)

1）應(yīng)用互感耦合模型推導(dǎo)出耦合系統(tǒng)傳輸功率的解析表達(dá)式，并得到輸出功率僅與收發(fā)線圈間耦合系數(shù)有關(guān)的結(jié)論，推導(dǎo)出耦合系數(shù)與耦合角度和收發(fā)線圈間傳輸距離的表達(dá)式。

2）對(duì)存在耦合角度狀態(tài)下的耦合系數(shù)與功率進(jìn)行分析，耦合角度在0°～90°范圍內(nèi)遞增使得耦合系數(shù)下降，同時(shí)耦合系數(shù)會(huì)隨著傳輸距離h減小而增大。

3）針對(duì)收發(fā)線圈間存在耦合角度而引起的功率波動(dòng)問(wèn)題提出了三單元交叉結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定功率方面的有效性。

研究人員指出，對(duì)實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)展開(kāi)研究，不僅能擴(kuò)充無(wú)線供電技術(shù)的理論研究體系，而且能為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)，促進(jìn)交通領(lǐng)域的發(fā)展，為后續(xù)進(jìn)一步探究動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的影響因素提供范例，具有深遠(yuǎn)的意義。

以上研究成果發(fā)表在2020年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)收發(fā)端耦合角度對(duì)功率影響機(jī)理分析”，作者為薛明、楊慶新、王家豪等。