无线电能传输技术及应用专辑主编述评

孙 跃，马 皓，赵 雷

（1.重庆大学，重庆400044，2.浙江大学，杭州 310027）

早在一个多世纪以前，现代交流电之父尼古拉·特斯拉就梦想着能将电力无线传送到世界每个角落。经过了无数前辈的不断发展，结合电力电子、控制、材料等领域的新技术，无线充电技术取得了显著的进展。作为一项颠覆性的创新，无线电能传输WPT（wireless power transfer）技术正在改变人们对电力传输和能源供给的方式，特别是在过去的三十年里，无线充电技术已经在许多领域得到了广泛应用。采用无线充电技术，人们不但可以摆脱充电线的束缚，还为航天、航海以及极端恶劣环境下的供电开启了新的方向。特别是基于新一代宽禁带半导体功率器件的高效电源变换器将逐步取代传统的硅功率器件，形成小型化、高功率密度和高电压变换产品。无线充电技术在未来仍然有着巨大的潜力，包括将进一步提高无线充电的效率和传输距离，使其更加适用于更广泛的应用场景，如电动汽车、智能家居、医疗设备、新能源等领域，并提供便捷的新型能源供给解决方案。无线充电技术与其他领域的创新技术，如人工智能、物联网和可再生能源、储能、电源变换及现代控制等相结合，正在形成更加智能化、高效能的能源系统。然而，尽管当前无线充电技术在各个领域都有着广泛的应用，但由于无线充电系统WCS（wireless charging system）特殊性和复杂性等特点，其在实际应用过程中仍然存在一些挑战需要克服。例如，无线充电系统在能量传输过程中会有能量损耗，因此需要提高传输效率以减少能量浪费。此外，无线充电的传输距离也受到限制，需要更进一步的技术改进来扩大传输范围。

为了推动无线电能传输技术的深入研究，支撑我国在先进制造业领域的全面发展，《电源学报》特别推出《无线电能传输技术及应用》专辑。本专辑共收到投稿31 篇，经过细致审稿，录用论文23 篇，其中无线电能传输技术中抗偏移技术的论文6 篇，能信同传技术的论文5 篇，建模与控制策略论文5篇，耦合机构设计与优化论文7 篇。

无线电能传输系统可以提供灵活方便的供电模式，但这一应用优势在设计上也会为系统引入强非线性的多参数剧烈变化，严重时引入的瞬态电压电流应力变化可能对无线电能传输系统造成潜在的损伤，因此抗偏移技术是无线电能传输设计难点之一。南阳理工学院樊京等[1]针对负载和耦合系数均有可能大范围变化的实际工况，提出了一种非线性铁磁谐振无线电能传输拓扑结构，使用杜芬方程和相量分析法对工作原理进行定性分析，并搭建了功率可达566 W、效率可达93.5%的非线性拓扑无线电能传输系统原型。所提出的非线性LCC-LCC拓扑能够适应耦合系数从0.1 变化到0.5 和负载电阻从72 Ω 到无穷大的大范围变化，具有比较好的抗偏移能力和负载稳定性。该拓扑结构原理新颖，结构简单，具备一定的工程应用潜力。

天津工业大学李阳等[2]提出了一种移动中继双向无线充电系统拓扑结构设计，针对移动中继双向无线充电的功率变换新型拓扑结构，建立了双向无线充电系统仿真模型，对不同互感、负载、输出功率下的系统进行了仿真研究，并搭建了10 kW 双向无线充电系统进行了相关实验研究，证明了所提拓扑结构及整体系统的正确性和可行性。东北林业大学李振杰等[3]提出一种兼具强抗偏移性与功率可控性的可重构无线充电系统研究，通过合理地切换传能通道，实现互感与负载较宽范围变化时恒流/恒压充电、全桥逆变器软开关状态；并设计闭环控制器实现了较宽偏移与负载波动时恒流/恒压充电、ZVS 状态，搭建了旋翼无人机用WCS，实验结果表明最大输出功率为126 W 且系统效率大于85%时，水平偏移范围为直径340 mm 的圆形。国网浙江省电力有限公司的葛凯梁等[4]为提升电动汽车静态无线充电系统抗偏移性能，提出一种基于中继线圈切换的WPT 系统，研究了两线圈结构与三线圈结构WPT 系统抗偏移性能，通过结合两线圈结构与三线圈结构的优势，提高系统整体抗偏移能力。研究结果表明，在横向偏移距离为线圈尺寸50%的范围内，系统输出效率均达到85%以上。江苏方天电力技术有限公司胡鹏等[5]提出了一种PT 对称磁耦合无线电能传输系统特性分析，为深入分析PT 对称系统的电路特性，证实PT 对称系统的工作机制实质为实本征态机制，给出了系统结构以及运行模式和系统参数之间的数学关系。在此基础上，对比分析了不同实本征态的阻抗特性及能效特性，为实际系统的工作模式选取提供了理论依据。陕西科技大学侯信宇等[6]提出了一种三线圈无线电能传输系统分段补偿技术，研究了三线圈WPT 系统的补偿电容端电压与输入直流电压的电压比随工作频率的变化情况，定义了多中继WPT 系统线圈端电压指标作为分段数选择的重要参照标准，并搭建了基于分段补偿的三线圈WPT 系统实验平台。实验结果表明，分段补偿方法能有效地降低谐振电容端电压，提高系统的可靠性与安全性。

无线供电系统中电能与信号并行传输技术一直以来是国内外学者共同关注的研究课题，特别是有着很强实用性的基于共享通道的无线能量信号同步传输技术。四川电力设计咨询有限责任公司王云柳等[7]提出了一种同轴旋转型MC-WPT 系统电能与信号并行传输方法，建立六绕组耦合机构数学模型，给出电能与信号传输通道间的交叉耦合参数表达式。搭建了MC-WPST 系统实验原理样机，实验结果显示，所提六绕组耦合机构对电能串扰以及开关噪声的基波部分有较好的抑制作用，在系统输出功率为150 W 时，实现了基于幅移键控的速率为19 200 bit/s 的信号传输。武汉科技大学宋纯等[8]提出一种3FSK 能量调制式无线功率与信息同步传输技术，采用三谐振频带且系统载波均使用谐振频率，避免了对于系统谐振频率的利用率低、传输效率低等缺陷，可实现全双工。通过搭建的150 kHz、177 kHz 和48 kHz 的实验平台，验证了在3 种频率下接收侧输出电压稳定,且其幅值为直流输入电压的4/π 倍，达到恒电压输出的目标。国网咸阳供电公司张杰等[9]提出一种基于磁耦合谐振式海下无线电能与信息共享耦合线圈分时传输方法，采用2FSK 调制方法，将两个信号载波的频率分别设置为1 MHz 和2 MHz。在水槽实验平台采用35%盐水模拟海水环境，证实了电能、信息共享通道无线传输系统对海下电气设备进行供电和数据传输的可行性。国网咸阳供电公司赵航等[10]提出一种水下数据采集与信息处理方法，考虑到复杂多变的水下环境对电能和信息传输会产生一定程度的影响，搭建基于多种传感器的信息搜集与处理系统，从而实现实时海洋数据采集，有效解决了水下数据的获取问题，提高了数据采集和数据处理效率。另外还研究了海水的相对磁导率、电导率以及相对介电常数等系统信息和能量传输的影响规律，并分析了温度和压力对无线电能传输的影响。烟台理工学院秦庆磊等[11]提出一种脉冲调制式无线电能与信息同步传输系统设计，介绍了解调电路结构和脉冲编码实现方法，并使用集成于原边处理器内的解调电路方案制作200 W 实验装置。通过系统测试，当信息传输速率2 kbps 时，误码率小于1.5%，电能损耗小于1%。该方法使用元件少，集成度高，可满足系统闭环控制的需求。

建模与控制策略是无线电能传输系统的关键技术之一。国网咸阳供电公司张杰等[12]提出一种磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法，通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容，从而使系统始终处于谐振状态，可使系统发射端线圈和接收端线圈之间的传输效率达到最高。实验结果表明，在谐振频率为100 kHz、输入电压为20 V 的情况下，样机能够实现无线电能稳定、可靠传输，证明了该变电容调谐控制方法的有效性。内蒙古工业大学苏建强等[13]提出了一种基于自抗扰控制ADRC（active disturbance rejection control）的LCC-S 谐振型无线充电副边闭环控制方法，通过电路分析LCC-S 型谐振网络的输出特性与系统参数的关系，建立副边Buck 变换器的状态方程模型，并根据模型设计ADRC 中跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）、非线性状态误差反馈（NLSEF），最后搭建了基于ADRC 的无线充电实验平台，在多参数扰动下比较ADRC 控制器与PI 控制器控制效果，结果表明ADRC 控制器表现出了更好动态调节能力。湖北工业大学彭思敏等[14]提出了一种基于线性自抗扰控制的无线电能恒压无通信传输方法,该方法在系统输入端采用锁相环跟踪谐振频率，并采用扰动观察法实现最小输入功率跟踪；在输出端采用基于线性自抗扰控制的移相半控整流电路控制策略，使系统工作于恒定电压输出、高效传输的状态，且系统输入端与输出端之间无需通信。而当负载和参考电压发生变化时，系统输出电压始终恒定在参考值，系统传输效率保持在90%。南京航空航天大学陈旭玲等[15]提出了一种低速转动多负载MCR-WPT系统，建立单发射多负载系统并进行理论分析，分析接收端转动对MCR-WPT 系统传输效率的影响，探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明，在低速转动三负载时，系统能够保持稳定的功率输出，单个负载的传输效率可以达到23.26%，总传输效率达到69.768%，低速转动对传输效率影响较小。四川师范大学赵发定等[16]提出了一种频率和功率可调的固态微波功率源，采用具有宽带特性的放大器件和反馈调节方式，获得了较宽的带宽和输出功率动态范围，具有体积小、可靠性高、散热性能良好、重量轻等优点。测试结果表明，该固态微波功率源频率可调范围为0.7～2.8 GHz，频率调节步进为1 MHz，最大频率偏移量＜0.3 MHz；功率可调范围为20～39.5 dBm，输出功率最大误差为±0.5 dB，为高功率微波功率源研究与设计提供了一定的参考。

磁耦合机构是无线电能传输的设计关键，直接影响了传输效率及功率，因此其相关优化在无线电能传输技术中具有举足轻重的作用。青岛大学李卓玥等[17]提出一种电动汽车无线充电磁耦合器屏蔽层的优化设计，由铁氧体磁片、纳米晶带材及铝箔构成复合屏蔽层磁耦合器，优化设计了复合屏蔽层结构及各部分材料的构成比例。与传统铁氧体磁片和铝板构成的磁耦合器相比，所提出的复合屏蔽层磁耦合器在减小了体积和重量的同时，互感和耦合系数分别提高了8.2%和0.7%，成本减小了47%，最后在搭建的2.5 kW、传输距离为12 cm 的实验平台上进行了验证。同济大学李巍等[18]研究了部分元等效电路理论在无线电能传输系统中的应用，采用部分元等效电路（PEEC）法，对平面矩形螺旋线圈的自感和互感进行计算，通过计算结果和实验结果的对比验证了PEEC 法计算参数的高效性和准确性。然后建立了双线圈系统和单共振磁耦合谐振式无线电能传输系统，采用PEEC 法并结合电路法对两个系统的传输特性分别进行了研究和分析，通过与有限元法计算结果的对比，验证了所提方法的准确性和快速性。中国矿业大学夏晨阳等[19]提出一种基于正交DD 线圈副边去耦合干扰的双负载无线电能传输系统，旨在解决两个副边线圈之间的耦合干扰问题，在不采用屏蔽材料和控制方法的情况下，该机构仅通过线圈结构设计即可实现两个副边线圈的完全解耦。实验结果表明，采用该机构的无线电能传输系统在双负载情况下，两负载互不影响且系统能量传输效率可达到88.7%。天津工业大学李阳等[20]提出一种基于双耦合线圈的无人机轻量化无线充电耦合机构设计，在满足无人机接收侧轻量化设计的同时，具有较高的传输能效与一定的抗偏移能力。同时采用顺向串联的形式，保证了无线充电的均匀性。通过搭建无人机无线充电实验系统进行验证，结果表明，该耦合机构可有效地对无人机电池以1.2 kW功率进行充电，系统传输效率为95.554%，无人机侧耦合机构的质量为320 g，并具有一定的抗偏移能力。东北林业大学李振杰等[21]提出了一种动态无线充电用主从协同式接收线圈设计方案，可以有效提高动态无线充电（DWC）系统的抗错位能力。设计了MA 线圈的结构和电路拓扑，通过仿真确定了线圈宽度wM和wA的最佳比例，在此情况下比较了MA 线圈与方形线圈的有效侧移范围和抗侧移性能。最后，搭建了实验样机，其MA 线圈有效侧移范围达到0.183τ，相比同尺寸下的方形线圈提升了23%。陆军装甲兵学院许非凡等[22]论述了无人战斗平台野外无线充电线圈设计与优化，分析野外陆战环境下无线充电的战技指标，设计了满足野外陆战环境无线充电的高适应性耦合线圈，提出了一种SP-DDP 双层组合线圈，并对该结构的线圈参数进行优化。优化后的线圈能够实现传输距离50 mm、X 轴方向偏移160 mm、Y 轴方向偏移120 mm 时互感变化幅度小于20%，证明了所提出的线圈结构具备抗偏移、抗偏转特性。国网咸阳供电公司赵航等[23]提出一种水下磁耦合式无线电能传输系统建模与分析，针对水下磁耦合式无线电能传输系统，建立了水下磁耦合式无线电能传输系统电路模型，对海洋环境中产生的涡流损耗进行了定量分析，根据海洋环境分析了海水水流冲击对磁耦合式无线电能传输系统影响，并搭建实验平台进行验证。

综上，本专辑的论文从无线电能传输技术中抗偏移技术、能信同传技术、建模与控制策略、耦合机构设计与优化等方面提出了无线电能传输的新思路和新方法。但在无线电能双向传输、高频无线电能传输技术的新理论与新方法、新材料及新器件、电磁屏蔽与辐射管理等方面仍然有很大的探索空间，值得深入研究，需要大家一起努力，进一步探讨，共同为我国屹立于世界民族之林而奋斗。

最后，衷心感谢审稿专家在本刊征稿中的贡献，感谢专家学者和业界同行们对于本专辑在征文、投稿和评审工作的大力支持！