无线电能传输中线圈设计对效率的影响综述

李素环 廖承林,2 王丽芳*,2 郭彦杰,2 朱庆伟

（1.中国科学院电工研究所 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室 北京 100190 2.北京电动车辆协同创新中心 北京 100081）

1 引言

近年来随着人类的发展社会的进步，无线电能传输越来越得到人们的关注。无线电能传输（wireless power transfer,WPT），又称为非接触式电能传输（contactless power transfer,CPT），指的是电能可以从电源到负载的一种没有经过导线的能量传输方式。无线电能传输技术主要有四种实现方式：电磁辐射式（无线电波、激光），电场耦合式，磁场耦合式（感应式、谐振式），超声波等。电场耦合式无线电能传输中，电源侧的金属平板和负载侧的金属平板形成电容，利用电容的电场进行电能传输。由于电场对人体的危害比磁场严重，因此目前研究得比较少；辐射式传输虽然能够实现远距离的无线电能传输，但是其复杂的跟踪定位系统以及较低的传输效率，影响了其发展[1]。

目前磁耦合无线电能传输是人们关注的热点，这种传输方式受到的关注较多。它是利用电源侧的线圈产生交变磁场，通过磁场耦合到负载侧的线圈，从而进行能量的传递。根据线圈中是否发生谐振，以及传输距离相较于线圈尺寸的大小，可以分为感应式和谐振式两种。磁耦合感应式无线电能传输（magnetically-coupled inductive wireless power transfer,MCI-WPT）技术，是利用电磁感应原理。该技术是将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势，这种技术的优点是可以达到较大的功率以及非接触式带来的优势，但是能量传输距离都很近，被限制在毫米等级，且当距离增大后，传输效率急剧下降[1-2]。而磁耦合谐振式无线电能传输（magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT）则利用谐振原理两个具有相同谐振频率的振荡器，在相距一定的距离时，经磁场耦合产生谐振实现能量传递，能量传递的介质是中高频磁场。其基本思想是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现耦合谐振并进行高效率的能量交换，而不同频率物体之间的相互作用较弱，系统原理性结构组成如图1 所示。

图1 磁耦合谐振式无线能量传输示意图Fig.1 A sketch map of magnetically-coupled resonant wireless power transfer

本文对无线电能传输技术进行了简单的综述，并介绍了作为研究焦点的磁耦合式无线电能传输技术的基本原理和系统结构，尤其是线圈部分的设计与优化。最后总结了现阶段磁耦合式无线电能传输系统线圈设计的各类方法，并对未来无线电能传输领域的发展做出了展望。

2 基本原理与研究方法

2.1 基本原理

磁感应式无线电能传输机理类似于可分离变压器[3-4]。基于分离式变压器的非接触供电电路示意图如图2 所示，整个电路由交流电源、一次整流滤波、高频逆变、分离式变压器、二次整流滤波和负载组成。交流电源产生的交流电压经整流滤波后得到直流电压，再经高频逆变装置将直流逆变为高频交流，这种高频交变电流经一次发送线圈向外界辐射电磁能量，通过分离式变压器的一二次线圈间的电磁耦合，二次接收线圈中将产生同频率的交变电流，得到感应电压，经二次整流电路整流后对负载供电[2]。

图2 基于分离式变压器的无线电能传输示意Fig.2 Based on the separated type transformer of wireless power transfer schematic diagram

谐振式无线电能传输方案是在电磁感应方案的基础上提出的，其在一定程度上解决了后者传输距离近和传输效率低的问题。这种方案利用发射线圈的电感和串联的电容形成共振回路，在接收端也组成同样共振频率的接收回路，利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无限电能传输[1]。是近区场电磁耦合特性，电磁能量在辐射源周围空间以及辐射源内部之间周期性的流动。因电场主要被束缚在电容器内部，所以在发射线圈周围形成了非辐射的交变磁场并用来进行能量传输。

2.2 研究方法

目前，在磁耦合无线功率传输（wireless power transmission,WPT）这一领域的理论研究工具可分为两大类，即时域的耦合模理论[1,6-7]和频域的集总参数电路理论[1]。这两种方法虽然研究角度不同但相互等效，而后者更为电力电子工程技术人员所熟悉[5]。只要满足了近场、无辐射的条件，稳态下电路理论和耦合模理论得出的结果，包括传输效率、功率等都是一致的。

3 磁耦合线圈设计

由文中第二部分介绍可知磁耦合感应式无线电能传输（MCI-WPT）机理类似于可分离变压器[3-4]。气隙部分代替了铁心，导致了磁力线没有定向的通道和负载侧的线圈相铰链。因此只有在较短的距离下，才能实现较大功率和较高效率的传输。当距离增大后，传输效率急速下降。该无线电能传输方式一般只有在小于传输线圈直径的传输距离下，才能达到较高的效率和较大的功率[1]。

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT 技术通过2 个谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来短距离传递能量，这种双线圈的磁耦合谐振系统，存在一个被称为临界耦合的最佳工作状态，如果超出这个范围，磁耦合迅速减弱，导致传输效率和负载功率迅速下降，传输性能急剧恶化[5]。所以优化线圈设计可提高传输效率。

因为线圈的设计是WPT 的关键技术之一，高品质因数的线圈对系统的传输性能包括传输距离，传输效率，传输功率等有很大的影响。优化线圈设计对传输效率至关重要。文献8 中介绍了线圈各因素对效率影响的具体分析。本文将对线圈各种优化方法进行整理比较，为以后的无线传输选择合适的线圈优化方法。

3.1 磁耦合感应式的线圈设计

要想提高无线能量的传输效率，可从两方面进行：一是提高线圈的耦合系数；二是解决充电系统中的磁通分布不均的问题，使得不同位置的接收线圈均能得到有效的磁通耦合，提高系统电能转换效率，通过增加原、副边的磁芯正对面积，提高全耦合磁通的比例，提高了耦合系数[9]；香港城市大学的S.Y.PonHui 教授利用多层PCB 绕组，通过磁场的交错巧妙的解决了磁通分布不均的问题，又提出由集中绕组和螺旋绕组构成复合绕组，将两种磁通分布特性不同的绕组结构组合，使得充电平台中的磁场均匀分布。

功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）是感应式传输的两个关键设计参数，需要这两个之间取得平衡，因为高PTE 会降低PDL，反之亦然。因此提出一个新的品质因数（FoM），可以确定特定应用程序需要一个两线圈或三线圈或者四线圈，然后通过一个迭代设计过程达到最优的线圈形状。该品质因数表明，双线圈适合强耦合线圈及大PDL 的情况；三线圈在松散耦合并且耦合距离变化大以及一个大的PDL 情况下是最好的；四线圈在PTE 影响比较大、松散耦合及他们的相对距离和对齐方式是稳定的时候使用是最优的[10,11]。

可利用垂直方向的磁通量实现能量传输的方法，为提高充电效率，接收线圈的摆放应该与初级线圈平行（以接收更多的垂直方向的磁通量）。因此，为了使待充电设备的功率接收效率不因摆放位置的不同或者摆放方向的不同而不同，初级线圈所产生的磁感应强度的垂直分量的分布应尽可能均匀[12]。

还有一种初级线圈结构的设计，可通过电流圆线圈和螺旋线圈的组合产生均匀分布的磁场，并通过使用EMC scanner 测试进行了验证。其示意图如图3 所示。该结构包括外侧的电流圆线圈和中间的螺旋绕组两个部分，其主要思想是通过合理的调整两种线圈的参数，使得其合成的轴向磁感应强度接近均匀分布[13]。注：考虑实际制造和使用的方便性，用矩形线圈代替圆形线圈，线圈的四角用折线代替以减弱四角突变带来影响。

图3 Fig.3 Sketch of the circular hybrid structure in three-dimensional

3.2 磁耦合谐振式的线圈设计

由电路分析，由式（2）可知，导线半径越小，线圈匝数越多，线圈本身损耗电阻R0很大，而这种损耗又不可避免。所以，在设计时应尽量选用粗导线，在保证需要的自谐振频率情况下减少匝数，采用镀银铜线以增加导电率，降低线圈的自身损耗，从而提高效率。在同样的互感值下，加大线圈半径，可增加传输距离[14]。

式中，μ0为真空磁导率；a为导线半径；r为线圈半径；n为线圈匝数；σ为电导率；l为导线长度。

还可引入中继线圈，文献[5]从电路理论的角度出发，针对基于磁耦合谐振的无线能量传输系统的单中继线圈谐振器的无线能量传输系统做了较详细的研究，给出了这种三线圈（发射–中继–接收）无线能量传输系统的临界耦合条件和接收端负载功率最大化条件。通过在发射线圈和接收线圈之间增加一个同谐振频率的线圈，可以很大程度地提高能量转换效率[15]，虽然四谐振线圈结构相比两谐振线圈结构能够在大的传输距离上取得较高的传输效率，但是传输功率相对不高[16]。而在两线圈结构的基础上，增加1 个中继谐振线圈，在保持传输效率与之可相比拟的情况下，能更大地提高传输功率；在四线圈结构基础上，相比于没有中继谐振线圈的情况，增加1 个中继谐振线圈能在一定程度上提高传输效率[17]。文献[18]通过对中继谐振器网络进行理论分析和软件仿真，提出了中继谐振器使用数量和摆放方位的优化策略[1]。

虽然MCR-WPT 对方向性的要求不高，但仍具有一定的方向，并且有些场合需要按照特定路径进行能量传输。为了更好的实现能量的定向传输，可以使用多线圈设计来改变能量传输路径。还可以通过增加小型中继谐振线圈，可以使得能量按照曲线路径进行传播，通过改变不同中继线圈的空间布局，从而达到改变能量传输路径的效果[15]，在多米诺结构下，图4 所示，中间线圈的摆放朝向、间距等对对传输效率的影响。

图4 Domino 线圈结构Fig.4 Domino coil structure

下面分析一下应用比较多的四线圈结构，又称双增强线圈结构，可以在初次级线圈之间增加线圈以增大传输效率[19]。高品质因数的增强线圈能弥补无线供电系统中耦合系数小的不足，四线圈电磁谐振式无线供电系统为研究对象，对增加线圈在电磁谐振式无线供电系统中的作用进行了研究。实验结果表明，在无线供电系统中的适当位置加入增强线圈能有效地增大输出电压；增强线圈的品质因数越大，系统的传输性能越好[19]。

最后比较了两线圈结构和四线圈结构的特性，结果表明，在不降低传输效率的同时，四线圈结构由于增加了电源线圈和负载线圈，可以方便地进行电源匹配和负载匹配。在很大程度上隔离电源和负载对谐振线圈的影响。

还有一种是多线圈结构，多线圈谐振无线能量传输系统可以在将传输距离延长数倍的同时只增加少量损耗；奇数个中继线圈的多线圈谐振无线能量传输系统比拥有偶数个中继线圈的多线圈谐振无线能量传输系统性能好，因为其可以在不同工作距离时具有相同的工作频率。不少相关实验室已经研究了阵列谐振器对传输效率的影响。三菱电子研究实验室（Mitsubishi Electric Research Laboratories）B.Wang 等人提出基于阵列谐振器的磁耦合谐振WPT系统，研究发现当使用10 个阵列谐振器传输能量时传输效率大于85%[20]；日本东芝公司N.Oodachi等人提出采用发射器阵列的磁耦合谐振 WPT 系统，研究发现增加谐振线圈能提高传输效率，且发射器阵列在异相激励模式下耦合系数较大[21]；韩国科学技术大学（University of Science &Technology）J.W.Kim 等人提出由5 个自谐振线圈和单个自谐振线圈构成的发射接收天线的磁耦合谐振WPT 系统，发现该系统可以以更低的谐振频率取得较高的传输效率[22]。还可用自适应的调频技术对系统进行优化改进。

文献[23]还介绍了一种方法：发射线圈使用多捆纯铜导线按照一定规律缠绕，形成多匝线圈，使用聚磁能力好的铁氧体进行磁轭处理，选用高磁导率、高电阻率的铁基纳米晶材料，可以很好地设计磁路，降低磁漏。接收线圈同样采用发射线圈相似的结构，然而接收线圈采用了塔形多层多捆纯铜导线，按照一定规律缠绕。在现场试验中，发射线圈的中心的磁场强度比较大，可使感应电势连续分配。

4 结论

本文对无线电能传输技术进行了简单的综述，并介绍了作为研究焦点的磁耦合式无线电能传输技术的基本原理和系统结构，尤其是线圈部分的设计与优化。线圈的设计是无线电能传输的关键技术之一，高品质因数的线圈对系统的传输性能包括传输距离，传输效率，传输功率等有很大的影响。针对不同形式的磁耦合分析不同的设计方法对效率的影响。如线圈自身参数的设计，包括线圈的形状、结构、匝数、匝间距、绕制方法、材料选择等等，及谐振链路结构的设计，比如2 线圈、4 线圈的选择，中继线圈的引入，铁氧体的使用，以及多发射线圈、多接收线圈系统的研究，本文主要对其各类方法进行了简要说明。最后总结了现阶段磁耦合式无线电能传输系统线圈设计的各类方法，并对未来无线电能传输领域的发展做出了展望。

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