动态无线供电的传输功率会剧烈波动，科研人员提出新结构，能有效抑制该问题

在实况下的动态无线供电过程中，电动汽车由于颠簸导致收发端产生耦合角度从而引起传输功率波动，因此需要对电磁耦合结构存在耦合角度的情形进行分析。
省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室的研究人员薛明、杨庆新、王嘉浩、章鹏程，在2020年第20期《电工技术学报》上撰文，提出了接收端采用三单元交叉式分布可减小耦合角度对系统能效的影响，并通过仿真和实验对比分析了三单元交叉线圈与单线圈在不同扰动下的磁场强度空间分布特性，证实了该结构可在实际扰动工况下稳定输出功率。
动态无线供电技术，即移动受电载体采用无线供电过程中电能发送端与接收端存在相对运动的情形，这种方式应用在电动汽车和有轨电车等城市交通领域能大幅度增加车辆的续航里程，而无需使用电池。此外，电能完全由埋在地面下的无线供电网络提供，可提高地面空间资源的利用率。
然而，在路面凹凸不平、存在障碍物等情况下，汽车颠簸不可避免地导致收发线圈之间产生耦合角度，从而影响受电品质。相关研究指出，由相对位置波动引起的功率和效率波动的本质原因是收发线圈的互感发生变化，但并未提出有效的解决办法。
采用多阶梯型与相嵌式相结合的发射线圈结构，可用于提高接收线圈经过发射端连接处时互感下降的问题，但其设计方式过于繁琐，使得操作复杂；T形抗偏移补偿拓扑结构，可以平缓由于偏移距离变化而导致传输功率波动的问题，虽然此方法可以在宽偏移范围内保持传输功率稳定，但收发端一旦产生耦合角度，此方法的有效性将大大降低；基于电磁定位的传感器，可以实时获取移动受电体的位置，使其运行在最佳耦合区，但同样并未考虑收发端存在耦合角度这一情况。
综上所述，针对动态无线供电过程中传输功率随接收端位置变化而产生剧烈波动的问题，目前有效的办法包括优化设计线圈结构，设计抗扰动补偿拓扑电路以及通过安装电磁定位传感器对位置实时纠正等，但这些方法并未考虑收发线圈之间耦合角度所引起的系统能效波动问题。
河北工业大学、天津工业大学的研究人员针对移动受电体动态供电中由于电动汽车颠簸造成收发线圈之间出现耦合角度，而影响受电体受电稳定性的现象展开研究。
图1  磁耦合系统单元结构
首先，他们推导了双发射-单接收动态耦合系统功率解析表达式，得到耦合系数是影响系统能效的关键参数；其次，对实际应用工况中存在的耦合角度与无耦合角度两种状态进行分析，得到收发线圈间传输距离h和耦合角度是影响耦合系数的两个关键因素，并揭示了其影响机理；其后，提出接收侧采用三单元交叉线圈结构，以减小收发线圈间耦合角度引起的系统能效波动；最后，通过与传统式平面结构的磁场强度特性对比，证实接收侧采用三单元交叉线圈结构可有效减小耦合角度对系统功率造成的影响。
图2  磁场分布云图
研究人员对动态无线供电系统在实际工作情形下存在耦合角度的问题，进行了数学建模、仿真分析和实验研究，其研究结果如下：
图3  动态无线供电系统
1）应用互感耦合模型推导出耦合系统传输功率的解析表达式，并得到输出功率仅与收发线圈间耦合系数有关的结论，推导出耦合系数与耦合角度和收发线圈间传输距离的表达式。
2）对存在耦合角度状态下的耦合系数与功率进行分析，耦合角度在0°～90°范围内递增使得耦合系数下降，同时耦合系数会随着传输距离h减小而增大。
3）针对收发线圈间存在耦合角度而引起的功率波动问题提出了三单元交叉结构，并通过仿真及实验验证了所提结构在稳定功率方面的有效性。 
研究人员指出，对实际工况下的动态无线供电系统展开研究，不仅能扩充无线供电技术的理论研究体系，而且能为该技术的实际应用提供依据，促进交通领域的发展，为后续进一步探究动态无线供电系统传输功率和传输效率的影响因素提供范例，具有深远的意义。

以上研究成果发表在2020年第20期《电工技术学报》，论文标题为“动态无线供电系统收发端耦合角度对功率影响机理分析”，作者为薛明、杨庆新、王家豪等。

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