無線電能傳輸技術及應用專輯主編述評

孫 躍，馬 皓，趙 雷

（1.重慶大學，重慶400044，2.浙江大學，杭州 310027）

早在一個多世紀以前，現代交流電之父尼古拉·特斯拉就夢想著能將電力無線傳送到世界每個角落。經過了無數前輩的不斷發展，結合電力電子、控制、材料等領域的新技術，無線充電技術取得了顯著的進展。作為一項顛覆性的創新，無線電能傳輸WPT（wireless power transfer）技術正在改變人們對電力傳輸和能源供給的方式，特別是在過去的三十年里，無線充電技術已經在許多領域得到了廣泛應用。采用無線充電技術，人們不但可以擺脫充電線的束縛，還為航天、航海以及極端惡劣環境下的供電開啟了新的方向。特別是基于新一代寬禁帶半導體功率器件的高效電源變換器將逐步取代傳統的硅功率器件，形成小型化、高功率密度和高電壓變換產品。無線充電技術在未來仍然有著巨大的潛力，包括將進一步提高無線充電的效率和傳輸距離，使其更加適用于更廣泛的應用場景，如電動汽車、智能家居、醫療設備、新能源等領域，并提供便捷的新型能源供給解決方案。無線充電技術與其他領域的創新技術，如人工智能、物聯網和可再生能源、儲能、電源變換及現代控制等相結合，正在形成更加智能化、高效能的能源系統。然而，盡管當前無線充電技術在各個領域都有著廣泛的應用，但由于無線充電系統WCS（wireless charging system）特殊性和復雜性等特點，其在實際應用過程中仍然存在一些挑戰需要克服。例如，無線充電系統在能量傳輸過程中會有能量損耗，因此需要提高傳輸效率以減少能量浪費。此外，無線充電的傳輸距離也受到限制，需要更進一步的技術改進來擴大傳輸范圍。

為了推動無線電能傳輸技術的深入研究，支撐我國在先進制造業領域的全面發展，《電源學報》特別推出《無線電能傳輸技術及應用》專輯。本專輯共收到投稿31 篇，經過細致審稿，錄用論文23 篇，其中無線電能傳輸技術中抗偏移技術的論文6 篇，能信同傳技術的論文5 篇，建模與控制策略論文5篇，耦合機構設計與優化論文7 篇。

無線電能傳輸系統可以提供靈活方便的供電模式，但這一應用優勢在設計上也會為系統引入強非線性的多參數劇烈變化，嚴重時引入的瞬態電壓電流應力變化可能對無線電能傳輸系統造成潛在的損傷，因此抗偏移技術是無線電能傳輸設計難點之一。南陽理工學院樊京等[1]針對負載和耦合系數均有可能大范圍變化的實際工況，提出了一種非線性鐵磁諧振無線電能傳輸拓撲結構，使用杜芬方程和相量分析法對工作原理進行定性分析，并搭建了功率可達566 W、效率可達93.5%的非線性拓撲無線電能傳輸系統原型。所提出的非線性LCC-LCC拓撲能夠適應耦合系數從0.1 變化到0.5 和負載電阻從72 Ω 到無窮大的大范圍變化，具有比較好的抗偏移能力和負載穩定性。該拓撲結構原理新穎，結構簡單，具備一定的工程應用潛力。

天津工業大學李陽等[2]提出了一種移動中繼雙向無線充電系統拓撲結構設計，針對移動中繼雙向無線充電的功率變換新型拓撲結構，建立了雙向無線充電系統仿真模型，對不同互感、負載、輸出功率下的系統進行了仿真研究，并搭建了10 kW 雙向無線充電系統進行了相關實驗研究，證明了所提拓撲結構及整體系統的正確性和可行性。東北林業大學李振杰等[3]提出一種兼具強抗偏移性與功率可控性的可重構無線充電系統研究，通過合理地切換傳能通道，實現互感與負載較寬范圍變化時恒流/恒壓充電、全橋逆變器軟開關狀態；并設計閉環控制器實現了較寬偏移與負載波動時恒流/恒壓充電、ZVS 狀態，搭建了旋翼無人機用WCS，實驗結果表明最大輸出功率為126 W 且系統效率大于85%時，水平偏移范圍為直徑340 mm 的圓形。國網浙江省電力有限公司的葛凱梁等[4]為提升電動汽車靜態無線充電系統抗偏移性能，提出一種基于中繼線圈切換的WPT 系統，研究了兩線圈結構與三線圈結構WPT 系統抗偏移性能，通過結合兩線圈結構與三線圈結構的優勢，提高系統整體抗偏移能力。研究結果表明，在橫向偏移距離為線圈尺寸50%的范圍內，系統輸出效率均達到85%以上。江蘇方天電力技術有限公司胡鵬等[5]提出了一種PT 對稱磁耦合無線電能傳輸系統特性分析，為深入分析PT 對稱系統的電路特性，證實PT 對稱系統的工作機制實質為實本征態機制，給出了系統結構以及運行模式和系統參數之間的數學關系。在此基礎上，對比分析了不同實本征態的阻抗特性及能效特性，為實際系統的工作模式選取提供了理論依據。陜西科技大學侯信宇等[6]提出了一種三線圈無線電能傳輸系統分段補償技術，研究了三線圈WPT 系統的補償電容端電壓與輸入直流電壓的電壓比隨工作頻率的變化情況，定義了多中繼WPT 系統線圈端電壓指標作為分段數選擇的重要參照標準，并搭建了基于分段補償的三線圈WPT 系統實驗平臺。實驗結果表明，分段補償方法能有效地降低諧振電容端電壓，提高系統的可靠性與安全性。

無線供電系統中電能與信號并行傳輸技術一直以來是國內外學者共同關注的研究課題，特別是有著很強實用性的基于共享通道的無線能量信號同步傳輸技術。四川電力設計咨詢有限責任公司王云柳等[7]提出了一種同軸旋轉型MC-WPT 系統電能與信號并行傳輸方法，建立六繞組耦合機構數學模型，給出電能與信號傳輸通道間的交叉耦合參數表達式。搭建了MC-WPST 系統實驗原理樣機，實驗結果顯示，所提六繞組耦合機構對電能串擾以及開關噪聲的基波部分有較好的抑制作用，在系統輸出功率為150 W 時，實現了基于幅移鍵控的速率為19 200 bit/s 的信號傳輸。武漢科技大學宋純等[8]提出一種3FSK 能量調制式無線功率與信息同步傳輸技術，采用三諧振頻帶且系統載波均使用諧振頻率，避免了對于系統諧振頻率的利用率低、傳輸效率低等缺陷，可實現全雙工。通過搭建的150 kHz、177 kHz 和48 kHz 的實驗平臺，驗證了在3 種頻率下接收側輸出電壓穩定,且其幅值為直流輸入電壓的4/π 倍，達到恒電壓輸出的目標。國網咸陽供電公司張杰等[9]提出一種基于磁耦合諧振式海下無線電能與信息共享耦合線圈分時傳輸方法，采用2FSK 調制方法，將兩個信號載波的頻率分別設置為1 MHz 和2 MHz。在水槽實驗平臺采用35%鹽水模擬海水環境，證實了電能、信息共享通道無線傳輸系統對海下電氣設備進行供電和數據傳輸的可行性。國網咸陽供電公司趙航等[10]提出一種水下數據采集與信息處理方法，考慮到復雜多變的水下環境對電能和信息傳輸會產生一定程度的影響，搭建基于多種傳感器的信息搜集與處理系統，從而實現實時海洋數據采集，有效解決了水下數據的獲取問題，提高了數據采集和數據處理效率。另外還研究了海水的相對磁導率、電導率以及相對介電常數等系統信息和能量傳輸的影響規律，并分析了溫度和壓力對無線電能傳輸的影響。煙臺理工學院秦慶磊等[11]提出一種脈沖調制式無線電能與信息同步傳輸系統設計，介紹了解調電路結構和脈沖編碼實現方法，并使用集成于原邊處理器內的解調電路方案制作200 W 實驗裝置。通過系統測試，當信息傳輸速率2 kbps 時，誤碼率小于1.5%，電能損耗小于1%。該方法使用元件少，集成度高，可滿足系統閉環控制的需求。

建模與控制策略是無線電能傳輸系統的關鍵技術之一。國網咸陽供電公司張杰等[12]提出一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統變電容調諧控制方法，通過控制電容的充放電時間使該電容等效為一個可變電容，從而使系統始終處于諧振狀態，可使系統發射端線圈和接收端線圈之間的傳輸效率達到最高。實驗結果表明，在諧振頻率為100 kHz、輸入電壓為20 V 的情況下，樣機能夠實現無線電能穩定、可靠傳輸，證明了該變電容調諧控制方法的有效性。內蒙古工業大學蘇建強等[13]提出了一種基于自抗擾控制ADRC（active disturbance rejection control）的LCC-S 諧振型無線充電副邊閉環控制方法，通過電路分析LCC-S 型諧振網絡的輸出特性與系統參數的關系，建立副邊Buck 變換器的狀態方程模型，并根據模型設計ADRC 中跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）、非線性狀態誤差反饋（NLSEF），最后搭建了基于ADRC 的無線充電實驗平臺，在多參數擾動下比較ADRC 控制器與PI 控制器控制效果，結果表明ADRC 控制器表現出了更好動態調節能力。湖北工業大學彭思敏等[14]提出了一種基于線性自抗擾控制的無線電能恒壓無通信傳輸方法,該方法在系統輸入端采用鎖相環跟蹤諧振頻率，并采用擾動觀察法實現最小輸入功率跟蹤；在輸出端采用基于線性自抗擾控制的移相半控整流電路控制策略，使系統工作于恒定電壓輸出、高效傳輸的狀態，且系統輸入端與輸出端之間無需通信。而當負載和參考電壓發生變化時，系統輸出電壓始終恒定在參考值，系統傳輸效率保持在90%。南京航空航天大學陳旭玲等[15]提出了一種低速轉動多負載MCR-WPT系統，建立單發射多負載系統并進行理論分析，分析接收端轉動對MCR-WPT 系統傳輸效率的影響，探討低速旋轉狀態下系統傳輸效率的變化規律。結果表明，在低速轉動三負載時，系統能夠保持穩定的功率輸出，單個負載的傳輸效率可以達到23.26%，總傳輸效率達到69.768%，低速轉動對傳輸效率影響較小。四川師范大學趙發定等[16]提出了一種頻率和功率可調的固態微波功率源，采用具有寬帶特性的放大器件和反饋調節方式，獲得了較寬的帶寬和輸出功率動態范圍，具有體積小、可靠性高、散熱性能良好、重量輕等優點。測試結果表明，該固態微波功率源頻率可調范圍為0.7～2.8 GHz，頻率調節步進為1 MHz，最大頻率偏移量＜0.3 MHz；功率可調范圍為20～39.5 dBm，輸出功率最大誤差為±0.5 dB，為高功率微波功率源研究與設計提供了一定的參考。

磁耦合機構是無線電能傳輸的設計關鍵，直接影響了傳輸效率及功率，因此其相關優化在無線電能傳輸技術中具有舉足輕重的作用。青島大學李卓玥等[17]提出一種電動汽車無線充電磁耦合器屏蔽層的優化設計，由鐵氧體磁片、納米晶帶材及鋁箔構成復合屏蔽層磁耦合器，優化設計了復合屏蔽層結構及各部分材料的構成比例。與傳統鐵氧體磁片和鋁板構成的磁耦合器相比，所提出的復合屏蔽層磁耦合器在減小了體積和重量的同時，互感和耦合系數分別提高了8.2%和0.7%，成本減小了47%，最后在搭建的2.5 kW、傳輸距離為12 cm 的實驗平臺上進行了驗證。同濟大學李巍等[18]研究了部分元等效電路理論在無線電能傳輸系統中的應用，采用部分元等效電路（PEEC）法，對平面矩形螺旋線圈的自感和互感進行計算，通過計算結果和實驗結果的對比驗證了PEEC 法計算參數的高效性和準確性。然后建立了雙線圈系統和單共振磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，采用PEEC 法并結合電路法對兩個系統的傳輸特性分別進行了研究和分析，通過與有限元法計算結果的對比，驗證了所提方法的準確性和快速性。中國礦業大學夏晨陽等[19]提出一種基于正交DD 線圈副邊去耦合干擾的雙負載無線電能傳輸系統，旨在解決兩個副邊線圈之間的耦合干擾問題，在不采用屏蔽材料和控制方法的情況下，該機構僅通過線圈結構設計即可實現兩個副邊線圈的完全解耦。實驗結果表明，采用該機構的無線電能傳輸系統在雙負載情況下，兩負載互不影響且系統能量傳輸效率可達到88.7%。天津工業大學李陽等[20]提出一種基于雙耦合線圈的無人機輕量化無線充電耦合機構設計，在滿足無人機接收側輕量化設計的同時，具有較高的傳輸能效與一定的抗偏移能力。同時采用順向串聯的形式，保證了無線充電的均勻性。通過搭建無人機無線充電實驗系統進行驗證，結果表明，該耦合機構可有效地對無人機電池以1.2 kW功率進行充電，系統傳輸效率為95.554%，無人機側耦合機構的質量為320 g，并具有一定的抗偏移能力。東北林業大學李振杰等[21]提出了一種動態無線充電用主從協同式接收線圈設計方案，可以有效提高動態無線充電（DWC）系統的抗錯位能力。設計了MA 線圈的結構和電路拓撲，通過仿真確定了線圈寬度wM和wA的最佳比例，在此情況下比較了MA 線圈與方形線圈的有效側移范圍和抗側移性能。最后，搭建了實驗樣機，其MA 線圈有效側移范圍達到0.183τ，相比同尺寸下的方形線圈提升了23%。陸軍裝甲兵學院許非凡等[22]論述了無人戰斗平臺野外無線充電線圈設計與優化，分析野外陸戰環境下無線充電的戰技指標，設計了滿足野外陸戰環境無線充電的高適應性耦合線圈，提出了一種SP-DDP 雙層組合線圈，并對該結構的線圈參數進行優化。優化后的線圈能夠實現傳輸距離50 mm、X 軸方向偏移160 mm、Y 軸方向偏移120 mm 時互感變化幅度小于20%，證明了所提出的線圈結構具備抗偏移、抗偏轉特性。國網咸陽供電公司趙航等[23]提出一種水下磁耦合式無線電能傳輸系統建模與分析，針對水下磁耦合式無線電能傳輸系統，建立了水下磁耦合式無線電能傳輸系統電路模型，對海洋環境中產生的渦流損耗進行了定量分析，根據海洋環境分析了海水水流沖擊對磁耦合式無線電能傳輸系統影響，并搭建實驗平臺進行驗證。

綜上，本專輯的論文從無線電能傳輸技術中抗偏移技術、能信同傳技術、建模與控制策略、耦合機構設計與優化等方面提出了無線電能傳輸的新思路和新方法。但在無線電能雙向傳輸、高頻無線電能傳輸技術的新理論與新方法、新材料及新器件、電磁屏蔽與輻射管理等方面仍然有很大的探索空間，值得深入研究，需要大家一起努力，進一步探討，共同為我國屹立于世界民族之林而奮斗。

最后，衷心感謝審稿專家在本刊征稿中的貢獻，感謝專家學者和業界同行們對于本專輯在征文、投稿和評審工作的大力支持！