学术简报｜基于垂直中继线圈结构的L形无线充电装置设计与优化
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上海电力学院电气工程学院的研究人员夏能弘、朱益民、程志远，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文指出，目前手机等掌上移动电子设备的无线充电设计多采用发射-接收线圈水平叠放布置方式。考虑到大量电子设备需要立式工作，单一的水平充电模式无法满足设备边工作边充电的需求，为此提出一种基于垂直中继线圈结构的无线电能传输系统。
设计一种L形基座，利用基座侧面的发射线圈与底面中继线圈的配合，实现电子设备在基座上及其附近从水平到竖直范围内任意角度的无线充电，满足设备不同工作状态时的充电需求。首先采用等效电路模型对系统进行分析，得出传输功率及效率的影响因素；其次通过仿真研究了三种典型接收线圈位置系统的传输特性并通过实验验证了仿真结果；最后，利用仿真对中继线圈与发射线圈的相对位置进行优化，实验结果表明优化后的系统效率最大可提高6%。
磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission,MRC-WPT）技术利用具有相同谐振频率的谐振线圈，实现电能的传输。该技术具有电磁辐射小、传输功率大、效率高等优点，已被广泛应用于消费类电子产品，如无尾电视、计算机、手机、电动牙刷等家用设备的充电或供电。
提高电能传输的灵活性是MRC-WPT技术的研究热点之一。手机和平板电脑等掌上移动设备需立式工作且角度不固定，传统静止水平放置的平台式充电方式无法满足边工作边充电的需求。新型发射线圈结构可以解决无线电能传输系统工作的方向问题。
文献[3]通过研究任意放置的空心线圈之间的耦合系数来分析方向改变对耦合系数的影响，得到系统在欠耦合、临界耦合和过耦合三种状态下的方向特性。
文献[5]提出了有效传输距离的概念，并通过对最大传输距离影响因素的分析得到了线圈的优化设计方法。
文献[6-7]提出了相互垂直的双发射线圈结构，通过控制两发射线圈的电流大小和相位，来实现接收线圈多种位置下稳定的功率传输。
文献[8]提出十字交叉发射线圈，实现掌上移动电子设备的三维无线充电。
文献[9]提出了相互垂直的四线圈激励的无线电能传输结构，该结构不仅可以延长传输距离，而且减弱了功率传输对方向的敏感度。
另一种改变功率传输路径的方案是引入中继线圈。
文献[10]分析了中继线圈在谐振频率时的工作特性以及电流放大的理论机理，提出利用中继线圈增强系统空间磁场的方法。
文献[11]对双中继和三中继线圈情况下系统的传输功率和效率进行分析，得到负载功率最大时对应的中继线圈位置及系统效率。
文献[12]提到中继线圈可以改变功率传输路径，并且当发射线圈和中继线圈垂直放置时，可以点亮与中继线圈同轴放置的接收线圈连接的灯泡。
文献[13]指出虽然发射线圈与中继线圈同轴平行放置时传输效率高于垂直放置的形式，但是垂直放置结构可以改变功率传输方向。
文献[14]采用发射线圈与中继线圈垂直排列方式，成功点亮了150W的LED电视。
中继线圈的引入也带来了一些新的问题，非相邻线圈之间的交叉耦合会导致系统功率多路径传输，并对系统的工作状态产生影响，如各线圈的电流幅度和相位以及引起传输功率极值点的扰动、降低系统在工作频率上的传输功率和效率。尤其是发射线圈与中继线圈相互垂直的结构中，交叉耦合系数甚至高于相邻线圈间的耦合系数。
文献[15]研究了插入同轴中继线圈后，交叉耦合对系统传输功率和效率的影响。文献[16]分析了中继线圈对系统频率分裂的影响，并给出了中继线圈位置的优化方法。
虽然目前对中继线圈的研究较多，但主要集中于传统平行中继结构系统的特性分析，对垂直中继结构的综合分析和基于垂直中继结构的系统设计研究较少。本文提出一种基于垂直中继线圈结构的无线充电系统，并设计了L形无线充电基座。
为了优化基座设计，首先，从等效电路模型出发，分析了系统的功率传输特性；其次，在三种典型的接收线圈位置情况下，研究了系统传输功率和效率与各线圈之间耦合的关系；最后，对中继线圈与发射线圈的相对位置进行仿真优化以提高系统传输效率。
图1 垂直中继结构无线充电系统示意图
图4 实验平台
本文设计了一种基于垂直中继结构的L形无线充电装置，并通过仿真及实验对接收线圈三种典型位置时的系统传输特性进行了分析，得到如下结论：
1）在不发生频率分裂的情况下，系统的传输效率的变化规律与中继线圈和接收线圈之间的互阻抗的变化规律相同。
2）在不发生频率分裂的情况下，由中继线圈传输的功率P23越大，系统效率越高。
3）垂直中继结构具有较强的抗角度偏转的能力，在仅有角度偏转时，系统的传输功率基本恒定。
通过理论分析结合仿真对中继线圈相对发射线圈的位置进行优化，提高了系统传输效率，并通过实验证明了优化的有效性。