天津工业大学科研团队发表无线电能传输系统耦合机构的研究综述
近年来，电气科技人员对无线能量传输技术的研究兴趣与日俱增，这项技术的应用范围也在持续拓宽。电磁耦合装置是无线能量传输系统中的关键环节，其设计方案的改进能够显著提升系统的能量传递效能，增加传输的有效距离，扩大可传输的功率等级，并增强系统对于位置偏移的适应性能。
天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究者李阳、石少博、刘雪莉、马靖男、黄悦蓬、徐睿，于2021年在《电工技术学报》增刊2上发表文章，探讨了磁场耦合式耦合机构的设计方案，文章从传输线圈、补偿网络和电磁屏蔽结构三个层面，概括了当前的研究进展和关注焦点，剖析了亟待解决的难题，并展望了未来的发展方向，为同行们提供了有价值的借鉴。
无线电力传输技术是一种非接触式能量传送方案，无需借助实体连接，依靠空间中的无形介质，能够实现从供电源头到用电终端的能量传递过程。这项技术同智能电网一样，都属于从传统模式向智能模式转变的范畴，并且入选了“十项开创未来的科技成就”名单之中。
当前无线能量传递的方式主要有磁力线感应、电力线感应、电磁波、光束、声波等类型。磁力线感应无线能量传递系统的构造如图1所示，包含整流单元、逆变装置、初级补偿装置、发射线圈、接收线圈、次级补偿装置、整流单元和用电设备等组件。
图1 无线电能传输系统
磁耦合装置是磁感应无线电力传输体系的核心构成，其精巧构造对传输效能、传输间隔、功率输出及抗干扰性能有显著作用，国内外研究人员针对磁耦合装置进行了大量探索。为系统归纳磁场耦合式无线电力传输近年的学术成就，为后续研究工作提供借鉴，天津工业大学的科研人员聚焦耦合装置，将研究现状及发展趋势，从传输线圈、补偿网络和电磁屏蔽构造三个层面进行了概括性梳理，归纳了当前核心研究课题及最新突破。
他们觉得当前众多研究者尽管对联动机制进行了探讨，不过还有诸多未解之谜，具体体现在这些层面：
1）大功率高效率耦合机构设计
电动巴士等大型设备无线充电技术日趋成熟，高铁列车应用也对无线充电能力提出更严标准，当前技术尚难完全满足这些高标准，所以必须研发高功率耦合装置，由此产生的能量损耗加剧、传输效能降低、运行可靠性下降及构造复杂化等问题，亟待科研人员深入探索。
无线充电电动汽车技术是当前研究焦点，其耦合装置存在诸多待解难题：要设计能承受快充（电流达百安培）的大功率装置kaiyun全站网页版登录，还需优化其高效率、小尺寸、轻量化特性；输出功率波动大是另一挑战；装置间的兼容性有待提升；标准化进程及经济性也需关注。电动车辆充当智慧型应用载体，务必实现充电与放电的和谐统一，以此提升电力资源的使用效能，智慧型电力网络可助力其广泛普及推广，有助于增加绿色能源的消耗比例，有助于改善都市的生态状况，最终促成智慧型电力网络同新能源的共同进步。
2）高功率密度耦合机构设计
功率持续提升，导致耦合装置的尺寸和重量不断增加，这阻碍了它在某些特定场景下的使用，平衡效能与体重的矛盾是未来研究的关键课题，因此，未来需要研发出功率密度更高的耦合装置，以克服体积过大的弊端，研究人员未来可以改进磁芯的几何形态kaiyun全站登录网页入口，优化线圈布局，设计辅助结构等途径来提升性能。
3）动态无线电能传输专用耦合机构设计
静态无线充电办法当前较为完善，不过存在充电次数多、行驶距离有限等不足，因此动态无线充电方案开始普及，比如从固定模式转向移动模式，从定点模式转为连续模式，但耦合参数的不稳定容易导致传输能量不稳定，影响整体性能，所以未来必须研发专门匹配动态无线充电的耦合装置，例如采用多线圈方案，或者设计不同构造的线圈来优化，增强耦合装置之间的耦合效果，或者设计复合调节网络来减轻耦合参数变化对传输能量的干扰。
4）多负载专用耦合机构设计
使用场景持续扩展，用户对技术的要求日益提升，在众多情况下，必须建设大范围充电设施为多个设备供能，进而引发热量积聚、磁力场分布失衡、磁力场间相互干扰以及能量转换率降低等一系列挑战。未来能够运用多个线圈组合的方案来构建发射装置，能够显著增强空间磁力场的运用效能，增大连接系数，进而提升能量传输的效率。
5）新材料在耦合机构中的应用
提升耦合装置表现，必须采用高Q值的线圈。线圈材质上，后续可深入探索具备高Q值、低阻抗及优良散热特性的材料；屏蔽构造方面，须选用具备高磁导率、低磁损、低电阻率、轻质且高强耐磨的材料，诸如非晶态、纳米晶态等新型材料。超材料能够调整其内部物理特性来改善布局，这种材料有助于增强磁场强度；它还能加强无线能量传输中线圈彼此的连接，从而提升系统产生的能量、传输的远度和传输的效果；它还能让设备在未对准的情况下也能良好地传输能量，这些优势让它在未来的连接部件设计中很有价值。
6）提高抗偏移抗振动能力的耦合机构
当前，静态充电和动态充电都对耦合机构的抗偏移性能提出了更高要求；动态充电还面临抗振动挑战，所以必须探索能同时提升抗偏移和抗振动性能的耦合机构设计；未来科研人员或许可以尝试设计新型线圈形态或构建新型补偿网络方案。近年来，部分研究者倡导一种宇称-时间守恒法则，将其运用于无线能量传输领域，可以比较稳定地维持输出功率与传输效能，并且不受耦合系数的制约；此外，运用分数阶电路的无线能量传输方法也具备诸多长处，此类方法有望显著增强抗干扰性能。
他们最后强调，未来科研人员能够研发出功率强大、效能卓越且功率密度高的联接装置，实现动态无线能量传输，制造针对多个负载的专用联接装置，选用纳米晶体材料为线圈提供屏蔽层以达成轻量化目标，构思全新的补偿网络布局来增强系统的抗偏移性能。
这篇文章源自2021年《电工技术学报》的增刊第二期，文章的题目是“磁场耦合式无线电能传输耦合机构综述”kaiyun全站app登录入口，执笔人是李阳、石少博以及其他人。
