高距径比无线电能传输系统电磁特性分析

研究背景

无线电能传输技术克服了接触式供电的不足，具有灵活方便、安全可靠、环境适应性强、维护需求低等优势，为航空航天、高压输电、智能电网、植入式医疗、家用电器、电动汽车等领域技术和装备发展注入新动力，市场空间巨大。高距径比是无线电能传输技术发展的重要趋势，但其电磁特性包括谐波成分等也更为复杂。

成果简介

针对高距径比无线电能传输系统高频环流大和传输效率低的问题，分析了系统电磁特性，建立松耦合变压器单边线圈分布参数模型，揭示松耦合变压器寄生电容的作用机理。在此基础上，提出分段串联补偿的方法，减小线圈高频环流，并同步显著提高高距径比无线能量传输系统的效率和功率密度。针对无线电能传输系统普便存在的整流无功问题，提出改进的整流电路结构，减小系统传输的无功功率和占空比丢失引起的高频电压谐波，不仅拓宽了负载范围，还提高了系统效率

亮点提炼

(1) 考虑线圈的机制损耗，建立精确的松耦合变压器单边线圈分布参数模型，揭示了松耦合变压器寄生电容的作用机理，证明高频无线电能传输线圈的介质损耗不可忽略。为解决这一问题，提出了单匝分段串联补偿和单层分段串联补偿两种方法，分析了其电磁特性，将补偿电容串联到线圈中间，大幅度降低线圈匝间和层间的电压应力，减小线圈寄生电容引起的高频环流，进而减小线圈的介质损耗，同步显著提高高距径比无线能量传输系统的效率和功率密度。

(2) 分析传统C滤波和LC滤波整流器的负载等效阻抗特性，C滤波整流器的临界模态负载阻抗与高频输出电感成正比，LC滤波整流器的临界模态负载阻抗与高频输出电容成反比；分别提出改进的C滤波和LC滤波整流结构，在传统C滤波整流器前并联一个小电容，在传统LC滤波整流器前串联一个小电感，改进整流器可避免占空比丢失现象的发生，消除占空比丢失引起的高频谐波，并使负载等效阻抗全负载范围内呈近似阻性，以极小的代价，不仅减小了系统谐波含量，还提高了传输效率。

图1 分段串联补偿方法

图2 改进的C滤波整流器

图3 改进的LC滤波整流器

前景与应用 

针对高距径比无线电能传输系统的传输效率和功率密度提升，提出消除线圈介质损耗的分段串联补偿方法和减小整流无功的改进整流器电路结构，分析了电磁特性，解决高距径比无线电能传输系统介质损耗高和整流无功大的问题，为高距径比无线电能传输技术的发展和应用提供理论基础和技术支撑。能够应用于航空航天、高压电网、水下探测、电动汽车和消费电子等领域。

完成人与研究团队介绍

麦建伟

麦建伟，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院助理研究员，主要从事感应式无线电能传输技术和能量数据同步传输技术研究。主持国家博士后面上基金，另作为骨干成员，参与国家自然科学基金、台达电力电子科教发展计划重点项目和航天科工集团合作项目十余项。在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《中国电机工程学报》等国内外电气领域顶刊发表论文17篇。

曾获得IEEE Transactions on Industrial Electronics 2022年度杰出审稿人、哈尔滨工业大学春晖创新成果奖、研究生国家奖学金、台达奖学金和哈工大优秀毕业生等荣誉奖励。担任IEEE IES TC-DDCM委员，受邀在中国电工技术学会电力电子专业委员会第十八届学术年会进行专题讲座“高距径比无线电能传输系统关键技术研究”，担任SCI 检索期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》审稿人。

哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所，“电驱动与电推进技术教育部重点实验室”、“国际先进电驱动技术创新引智基地（111 计划）”、“黑龙江省现代电力传动与电气节能工程技术研究中心”和“可持续能源变换与控制技术黑龙江省重点实验室”，拥有 Chroma 可编程交流电源 61705、Chroma 可编程直流电源 62150H-600、E&I 射频功率放大器 A500、KEYSIGHT 精密 LCR 表 E4990A、YOKOGAWA 精密功率分析仪 PX8000、Tektronix 高性能示波器 DPO4104B、FLIR 红外热像仪 T360 等。

编辑：黄飞