無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）技術是借助空間無形軟介質（電場或磁場）將能量從發射端以無電氣連接的形式傳遞至拾取端的全新電能傳輸技術，其應用使得用電設備避免金屬觸點拔插打火、磨損以及漏電等弊端，擺脫線纜的約束。在植入式醫療器械、電動汽車充電、LED燈飾和軌道交通等諸多重要應用中有著獨特的優勢以及廣闊的前景。

常見的無線電能傳輸方式主要分為磁場耦合式（Inductive Power Transfer, IPT）和電場耦合式（Contactless Power Transfer,CPT）。IPT系統采用高頻交變磁場傳遞能量，隨著半導體功率開關及電力電子技術的發展，其應用最為廣泛，目前國內外研究熱點集中于磁場耦合方式。

但是在軌道交通等大功率非接觸供電領域中，機車車體和軌道通常由鋼材或鋁合金材料構成，IPT系統對金屬較敏感，會引起金屬發熱產生渦流損耗，使得傳輸效率下降。同時其耦合機構需要使用鐵氧體材料和利茲線來繞制，增加了重量和成本。

而CPT系統以高頻電場作為載能介質，僅用輕薄廉價的鋁板或銅板作為耦合機構，在周圍存在金屬物體時，泄漏電場不會在其中引起渦流損耗，具有良好的傳導性且耦合機構的成本較低、重量較輕。因此逐漸吸引了國內外研究團隊對CPT技術展開研究。

• 過去基于CTP的無線電能傳輸研究多集中于小功率系統，大功率的研究和應用很少，直到2015年末圣地亞哥州立大學C. Mi教授針對電動汽車充電應用場合，通過優化傳統LC串聯補償網絡的方式，提出雙邊LCLC拓撲結構，實現傳輸距離為150 mm時傳遞2.4kW的能量，效率達90.8%。
• 有學者通過優化設計CPT系統單管ZVS變換器，在耦合電容為24nF的條件下，實現kW級的功率傳輸。
• 有學者為了節省空間，將耦合極板垂直排列，采用雙邊LCL拓撲補償結構提高極板兩端電壓以實現大功率輸出，在空氣間隙為150 mm的情況下傳遞了1.88 kW的能量，效率達85.87%。

將CPT系統應用于軌道交通等大功率場合供電時，要求實現大功率電能的非接觸傳輸。然而在實際應用中，由于逆變器及功率開關器件的容量有限，單個逆變器較難滿足CPT系統大功率電能傳輸的要求，因此有必要在現有開關器件和逆變器水平條件下，研究增大逆變器總容量的方法來提升CPT系統的傳輸功率。

本文針對軌道交通大功率應用場合，提出一種雙發射單接收CPT系統，通過將兩個逆變器并聯，降低功率開關管電流來提升系統輸入功率，從而提高CPT系統的傳輸功率。此外，本文采用基波近似法（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）分析電路工作原理，考慮雙發射機構間相互耦合的影響，合理地配置系統參數，使電路達到諧振狀態。最后，本文搭建了1.47kW輸出的雙發射單接收CPT系統，與單發射單接收進行對比實驗驗證，表明該方法的有效性。

圖1 無線電能傳輸系統示意圖

圖8 雙發射實驗裝置

結論

針對傳統CPT系統單個逆變器傳輸的能量不能滿足實際軌道交通大功率需求的問題，本文在六極板耦合電容結構簡化為三端口電路模型的基礎上，提出了一種雙發射單接收CPT系統，通過提升逆變器輸入功率總容量的方式，實現大功率輸出。

采用有限元分析法在Maxwell中仿真得到極板耦合電容值，實驗搭建了傳輸距離為22mm的雙發射單接收與同發射面積、同傳輸距離的單發射單接收CPT系統，均實現了1.47kW大功率能量傳輸。

本文具有如下特點：

• 1）提出采用逆變器并聯的方式來實現CPT系統功率提升。在相同逆變器、開關器件、補償電感電容和端口電壓的容量限制條件下，通過增加逆變器數量，使流過開關管的電流減半，從而提升系統輸入功率，達到提升CPT系統傳輸功率的目的。
• 2）提出了一種雙發射單接收耦合極板的等效電路模型，可將六極板結構15個耦合電容簡化成三端口受控源模型。
• 3）考慮雙發射機構間的相互耦合電容影響，給出系統諧振電路參數配置方法。