無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer, WPT）作為一種非接觸電能傳輸（Contactless Power Transfer, CPT）技術，擺脫了傳統(tǒng)有形介質(zhì)的束縛，僅通過空間無形軟介質(zhì)，即可將電能從電源端傳遞至用電設備端。該技術與智能電網(wǎng)均為傳統(tǒng)型向智能型的過渡，被列為“10項引領未來的科學技術”之一。

目前，無線電能傳輸?shù)男问街饕艌鲴詈鲜?、電場耦合、微波、激光、超聲波等。磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的結構如圖1所示，包括整流模塊、逆變電路、一次側(cè)補償網(wǎng)絡、發(fā)射線圈、接收線圈、二次側(cè)補償網(wǎng)絡、整流電路和負載等部分。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)

耦合機構作為磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的關鍵組成部分，其優(yōu)化設計對系統(tǒng)的傳輸效率、傳輸距離、功率及抗偏移能力有直接影響，國內(nèi)外專家和學者對于耦合機構展開了諸多研究。為了梳理磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)近幾年的研究成果并為研究者提供進一步研究和設計的參考，天津工業(yè)大學的科研團隊針對耦合機構，從傳輸線圈、補償網(wǎng)絡和電磁屏蔽結構三個方面簡要綜述了無線電能傳輸系統(tǒng)中耦合機構的研究現(xiàn)狀及發(fā)展，總結了當前的主要研究熱點及最新進展。

他們認為目前很多研究人員雖然對耦合機構做了研究，但仍有不少問題尚未解決，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）大功率高效率耦合機構設計

隨著電動巴士等大功率無線充電技術的發(fā)展，尤其是高鐵列車的發(fā)展，人們對無線充電的功率提出了更高的要求，目前的技術水平尚未滿足其需求，因此有必要設計大功率耦合機構。隨之帶來的發(fā)熱、傳輸功率和效率下降、穩(wěn)定性降低及結構復雜等一系列問題需要學者進一步研究。

電動汽車無線充電技術作為當下研究的熱門話題，其耦合機構還有很多問題亟需解決：適應快充（快速充電模式下電流可達上百安培）的大功率耦合機構設計，以及其高效率、小體積、輕量化優(yōu)化問題；輸出功率穩(wěn)定性低問題；耦合機構的互操作性；標準問題及經(jīng)濟成本問題等。電動汽車作為智能消費終端，需要與智能電網(wǎng)之間達到充放電平衡，提高電能利用率，智能電網(wǎng)能夠推動其大規(guī)模生產(chǎn)應用，提高清潔能源消費比重，凈化城市環(huán)境，最終促進智能電網(wǎng)與新能源的發(fā)展。

2）高功率密度耦合機構設計

目前，隨著功率提高，耦合機構的體積與質(zhì)量也在增大，限制了其在特定領域的應用，如何解決功率效率與體積質(zhì)量之間的矛盾成為未來的研究方向。因此，將來有必要設計高功率密度的耦合機構，解決體積過大的問題。將來研究人員可以從磁心形狀、線圈結構設計、補償結構設計等方面進行改善。

3）動態(tài)無線電能傳輸專用耦合機構設計

目前靜態(tài)無線電能充電技術相對來說比較成熟，然而存在充電頻繁、續(xù)航里程短等問題，于是動態(tài)無線充電技術逐漸出現(xiàn)，如由固定式向運動式、定點式向在線式發(fā)展，但是耦合系數(shù)波動容易造成傳輸功率波動，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以將來需要設計專用的耦合機構適應動態(tài)無線充電的需求，如利用多線圈模式及設計不同結構的線圈結構進行改善，提高耦合機構間的耦合系數(shù)，或設計復合補償網(wǎng)絡削弱耦合系數(shù)變化對傳輸功率的影響。

4）多負載專用耦合機構設計

隨著應用場景的增多，大家對技術的需求越來越高，在很多場合下，需要鋪設大面積充電平臺為多負載供電，由此帶來發(fā)熱、磁場分布不均勻、磁場的相互耦合及效率下降等一系列問題。將來可以采用多繞組線圈的方式設計發(fā)射線圈結構，有效提高空間磁能的利用率，提高耦合系數(shù)，從而提高效率。

5）新材料在耦合機構中的應用

需要高品質(zhì)因數(shù)的線圈去提高耦合機構的性能。在線圈材料方面，將來可以進一步研究高品質(zhì)因數(shù)、低阻抗、散熱好的材料；在屏蔽結構方面，需要高磁導率低磁損耗、低電阻率、質(zhì)量輕、強度高耐磨損的材料，如新興的非晶、納米晶材料等。超材料通過控制其介質(zhì)的本構參數(shù)進而優(yōu)化場地分布，其具有提高磁通密度；提高無線電能傳輸線圈間耦合程度，提高系統(tǒng)輸出功率、傳輸距離和傳輸效率；改善不對準工況下傳輸性能等優(yōu)點，在未來耦合機構設計中占有一席之地。

6）提高抗偏移抗振動能力的耦合機構

目前，無論靜態(tài)充電還是動態(tài)充電，均需要提高耦合機構的抗偏移能力；另外，針對動態(tài)充電，還需要解決抗振動問題，因此有必要研究提高抗偏移抗振動能力的耦合機構。將來研究人員可以考慮提出新的線圈結構或新的補償網(wǎng)絡結構。近些年，有學者提出一種宇稱-時間對稱原理，將該技術應用到無線電能傳輸，能在一定程度上實現(xiàn)恒定的輸出功率和傳輸效率，且不受耦合系數(shù)的影響；而且基于分數(shù)階電路的無線電能傳輸技術也顯示出很多優(yōu)點，這些技術有望進一步提高抗偏移能力。

他們最后指出，今后研究人員可設計大功率高效率、高功率密度的耦合機構，動態(tài)無線電能傳輸、多負載專用耦合機構，用納米晶帶材為線圈做屏蔽材料以滿足輕量化需求，提出新的補償網(wǎng)絡結構改善系統(tǒng)的抗偏移能力等。

本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“磁場耦合式無線電能傳輸耦合機構綜述”，作者為李陽、石少博 等。