抗耦合变化的恒效率无线电能传输系统研究
引言
21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）等是实现能源高效利用的重要途径。WPT在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，WPT的应用已逐步成为现实，受到了越来越多的关注[1]。
传统的电力输送采用有线的方式实现（即利用电缆线作为传输媒介），因此在电力的传输过程中不可避免的会产生传输损耗，同时线路老化、尖端放电等因素也易导致电火花，大大降低了设备供电的可靠性和安全性，缩短设备的使用寿命。一方面在矿场、海底等一些特殊场合，传统的电缆线供电方式所产生这些缺点往往有时将是致命的，严重时会引起爆炸、火灾及设备的损坏等，带来了极大的安全隐患和经济损失，另一方面生活中大量的电器供电势必会导致多种电源线的交叉给人们生活带来的极大的不便[2]。而WPT主要利用电磁耦合、微波、电磁共振等形式来传输电能，不存在导线连接，因此是一种安全、可靠的新型电能传输方式。
无线电能传输技术研究现状
对无线电能传输技术的研究从一百年前就开始了。这一个世纪以来，研究人员发掘了多种实现无线电能传输的方案，它们具有不同的原理，在传输特征如传输功率、效率、距离等方面也存在较大差别。从传输距离进行分类，可以将无线电能传输分为近场和远场两类无线电能传输。从传输原理上分类，则可分为电磁感应式、谐振耦合式以及微波传输式无线电能传输。
第一类感应耦合无线电能传输属于近场短距离传输。通常可用两种方式实现，一是基于电磁感应原理的非接触式电能传输技术，实际上是一个松耦合的变压器，但设计流程和方法与变压器有所不同。将发射线圈和接收线圈近距离放置，当发射线圈通过电流时所产生的磁通在接收线圈中感应出电动势，从而将电能无线传输到负载。二是基于电场耦合原理实现，即将两个可分离电容极板靠拢相近放置，当可分离电容极板之间的电场改变时接收极板上产生电压，从而达到电能无线传输的目的。
文献[3]介绍了感应电能传输(inductive power transfer，IPT)的背景，以及它的发展过程。尤其是在电动汽车(EVS)的静态和动态充电，IPT提供了其他技术无法比拟的可能性。文献[4]开发了一种新型的便携式、可再生、太阳能供电的冷却系统，该系统采用无线电能传输和超级电容来冷却汽车驾驶室。实验结果表明，输出功率与太阳辐照度呈相位关系。当负载电阻分别为3倍和5倍时，样机的峰值输出功率为2.181 W，峰值效率为60.3%。所获得的输出功率和高效率表明，所提出的太阳能制冷系统在热舱制冷中是有效和可行的。文献[5]针对感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer，ICPT)系统能效(传输功率和效率)优化问题，分析了互感耦合参数对4种典型拓扑结构ICPT系统能效的影响，并优化互感以提高系统的功率传输能力，同时对优化得到的互感耦合参数的适用条件给出了限制；此外，针对原边采用串联补偿拓扑结构的ICPT系统在最大功率传输条件下，系统效率偏低的现象，提出一种新的系统综合评价指标。通过在该指标下对系统的互感耦合参数进行优化，在满足功率传输的基础上，实现了ICPT系统的全局最优设计。文献[6]给出了S/SP补偿拓扑中求取最优耦合系数的详细推导过程，并在此基础上进行了调谐，使系统输出电压波动最小。分析了一次耦合电感和二次耦合电感对输出电压波动随负载变化的影响。输出电压波动不受一次耦合电感的影响，但随二次耦合电感的增加而减小。最后通过仿真和实验验证了理论分析。文献[7]分析了带各种补偿的独立负载充电IPT电路，如图1所示。提出了使用相同的变压器、补偿电容和工作频率的SS PS补偿或SP PP补偿的两种混合拓扑，以满足CC和CV充电在功率开关上无无功应力的要求。
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