- 頭條動態無線供電的傳輸功率會劇烈波動，新結構能有效抑制該問題2021-04-25 作者：薛明 楊慶新 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在實況下的動態無線供電過程中，電動汽車由于顛簸導致收發端產生耦合角度從而引起傳輸功率波動，因此需要對電磁耦合結構存在耦合角度的情形進行分析。 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、天津工業大學天津市電工電能新技術重點實驗室的研究人員薛明、楊慶新、王嘉浩、章鵬程，在2020年第20期《電工技術學報》上撰文，提出了接收端采用三單元交叉式分布可減小耦合角度對系統能效的影響，并通過仿真和實驗對比分析了三單元交叉線圈與單線圈在不同擾動下的磁場強度空間分布特性，證實了該結構可在實際擾動工況下穩定輸出功率。
動態無線供電技術，即移動受電載體采用無線供電過程中電能發送端與接收端存在相對運動的情形，這種方式應用在電動汽車和有軌電車等城市交通領域能大幅度增加車輛的續航里程，而無需使用電池。此外，電能完全由埋在地面下的無線供電網絡提供，可提高地面空間資源的利用率。
然而，在路面凹凸不平、存在障礙物等情況下，汽車顛簸不可避免地導致收發線圈之間產生耦合角度，從而影響受電品質。相關研究指出，由相對位置波動引起的功率和效率波動的本質原因是收發線圈的互感發生變化，但并未提出有效的解決辦法。
采用多階梯型與相嵌式相結合的發射線圈結構，可用于提高接收線圈經過發射端連接處時互感下降的問題，但其設計方式過于繁瑣，使得操作復雜；T形抗偏移補償拓撲結構，可以平緩由于偏移距離變化而導致傳輸功率波動的問題，雖然此方法可以在寬偏移范圍內保持傳輸功率穩定，但收發端一旦產生耦合角度，此方法的有效性將大大降低；基于電磁定位的傳感器，可以實時獲取移動受電體的位置，使其運行在最佳耦合區，但同樣并未考慮收發端存在耦合角度這一情況。
綜上所述，針對動態無線供電過程中傳輸功率隨接收端位置變化而產生劇烈波動的問題，目前有效的辦法包括優化設計線圈結構，設計抗擾動補償拓撲電路以及通過安裝電磁定位傳感器對位置實時糾正等，但這些方法并未考慮收發線圈之間耦合角度所引起的系統能效波動問題。
河北工業大學、天津工業大學的研究人員針對移動受電體動態供電中由于電動汽車顛簸造成收發線圈之間出現耦合角度，而影響受電體受電穩定性的現象展開研究。
圖1 磁耦合系統單元結構
首先，他們推導了雙發射-單接收動態耦合系統功率解析表達式，得到耦合系數是影響系統能效的關鍵參數；其次，對實際應用工況中存在的耦合角度與無耦合角度兩種狀態進行分析，得到收發線圈間傳輸距離h和耦合角度是影響耦合系數的兩個關鍵因素，并揭示了其影響機理；其后，提出接收側采用三單元交叉線圈結構，以減小收發線圈間耦合角度引起的系統能效波動；最后，通過與傳統式平面結構的磁場強度特性對比，證實接收側采用三單元交叉線圈結構可有效減小耦合角度對系統功率造成的影響。
圖2 磁場分布云圖
研究人員對動態無線供電系統在實際工作情形下存在耦合角度的問題，進行了數學建模、仿真分析和實驗研究，其研究結果如下：
圖3 動態無線供電系統
1）應用互感耦合模型推導出耦合系統傳輸功率的解析表達式，并得到輸出功率僅與收發線圈間耦合系數有關的結論，推導出耦合系數與耦合角度和收發線圈間傳輸距離的表達式。
2）對存在耦合角度狀態下的耦合系數與功率進行分析，耦合角度在0°～90°范圍內遞增使得耦合系數下降，同時耦合系數會隨著傳輸距離h減小而增大。
3）針對收發線圈間存在耦合角度而引起的功率波動問題提出了三單元交叉結構，并通過仿真及實驗驗證了所提結構在穩定功率方面的有效性。
研究人員指出，對實際工況下的動態無線供電系統展開研究，不僅能擴充無線供電技術的理論研究體系，而且能為該技術的實際應用提供依據，促進交通領域的發展，為后續進一步探究動態無線供電系統傳輸功率和傳輸效率的影響因素提供范例，具有深遠的意義。
以上研究成果發表在2020年第20期《電工技術學報》，論文標題為“動態無線供電系統收發端耦合角度對功率影響機理分析”，作者為薛明、楊慶新、王家豪等。
