【《非接触式供电方式-无线电能传输WPT发展的国内外文献综述》5300字（论文）】

致谢-PAGE128--PAGE127-非接触式供电方式-无线电能传输WPT发展的国内外文献综述纵观我们现今科学发展过程中使用过的无线电能传输的方式，运用了下面这几种技术手段：磁场耦合式、电场耦合式、磁谐振式、激光式、微波辐射式ADDINNE.Ref.{6D616DC8-E594-4C55-AAE9-899CE210FDD5}[9]、超声波式，如图1-3，它们各自的特点和国内外实际使用的状况将在后文一一进行阐述。图1-3无线电能传输方式分类磁场耦合式：磁场耦合式电能传输（IPT）在很早以前就开始研究并投入运用了，现在我们的智能手机无线充电方式主要也是采用磁场耦合的方式ADDINNE.Ref.{18FFF350-10A4-44F2-AF1F-5716C892EAD2}[10]。它的工作原理是通过耦合的电磁线圈产生交变磁场进行电能的传输，其技术比较成熟，功率可以做到很大。但线圈本身作为一种导磁性的介质,在高频或者低压的条件下,电磁干扰较大,涡流造成的损耗也较为严重,此系统的电能传递效率也会随着电能传递距离的增加而迅速减小,它的耦合机构抗偏移能力较弱，较小的偏移会影响到系统的传输效率，所以对耦合机构的对齐有着严格的要求ADDINNE.Ref.{F3C42E49-A067-4904-A798-1779015FD3DF}[11]。然而在海洋环境中，海水无时不刻都在流动着，由此带来的干扰极易造成耦合机构的偏移ADDINNE.Ref.{58E35A33-E06A-40E5-B3CE-49E69A134F0E}[12]，况且在海水中存在大量的电介质极易产生涡流损耗，这样系统的损耗就会急剧增加。2016年1月，瓦西里兰公司与CAVotec签署协议，共同开发全球首艘“感应充电和自动靠泊”船舶。2017年8月底，瓦锡兰公司在混合动力海运渡船上完成了智能无线感应充电系统的测试，如图1-4所示。这是世界上第一艘电池供电的无线充电商业渡轮。该船设计为在线圈之间15-50厘米内传输额定功率1MW，设计效率超过95%，高频交流频率(系统工作频率)在3-6千赫之间。图1-4瓦锡兰公司的无线充电渡船“folgefonn”号磁谐振式：它的工作原理是通过一种耦合机构使发射线圈和接收线圈相互产生的电磁耦合或谐振而实现将电能从电力供给端向所有用电传输终端的无线电能传输。2006年，麻省理工学院使用磁谐振技术研究出的无线电能传输技术实现了1.83m的距离传输，并将此方法投入实际点亮了灯泡。磁谐振耦合能量传输技术具有良好的方向性，高传输效率，在电动汽车充电领域有很大的应用。但是如果在此系统中耦合机构两端的线圈产生的频率不相同，则会产生很大的功率损耗。因此在海洋这个急剧变化的环境中，其使用价值也就没那么明显了。微波辐射式和激光式：这两种类型的传输方法大多数被应用于长距离或小功率的传输，例如太阳能发电厂，飞机等ADDINNE.Ref.{FF9DBB18-A9EF-4F00-9D0C-63B772A6FA18}[13]。这两种传输方式技术尚未成熟，能量传输的效率还未得到重大的突破ADDINNE.Ref.{CD2C53EA-9D6E-4472-9BD7-0B55E48D53D9}[14]，因此这两种方式在海水中使用的前景并不是很好，需要学者进一步的研究。电场耦合式：电场耦合式无线电能传输(CPT)技术，使用金属薄板作为耦合机构，通过极板之间的交变电场实现无线电能的传输。该系统有着使用材料价格低廉、耦合结构较为轻便灵活的特点，适用领域广阔ADDINNE.Ref.{60384839-8305-44C7-A5A5-31D3DCDCCEA5}[15]。在水下环境中，相较于在空气中，其耦合容值更大，鲁棒性更好，能够适应海水这种变化极大的环境。1.1空气中CPT系统的研究现状电容式无线输电系统的工作过程类似于两个串联的传统电容器，其典型的系统结构如图1-5所示。两极板上的交流电压在它们之间的空间中产生高频的位移电流以进行能量传输ADDINNE.Ref.{001050E9-8553-4420-BE56-EF82668407B5}[16-19]。CPT系统通常采用四块极板，两块前级极板作为能量发射器，两块后级极板作为能量接收器，每对相邻的前、后极板形成一个耦合电容器，这样就能构成两对电容器形成回路ADDINNE.Ref.{25B5999F-ACAF-4B86-8D75-D3B3EC3BA122}[20-22]。在电场中，如图1-5所示，与磁力线形成自身环路的特征不同，电力线不形成自身环路，而是从一个电极朝向另外一个相反侧的电极的方向。一个电容器提供了电流从前级流向后级的通道，另一个电容器提供了电流从后级返回的通道，从而形成了全能量传输回路，这也与电感式无线电能传输系统有很大不同。在实际应用中，需要在前级使用高频逆变器提供电压激励，在后级使用整流器向负载提供直流电流。另外，由于电极板之间的耦合电容一般很小，因此需要在前级和后级搭建由电感和电容构成的匹配网络，以降低传输电路的阻抗以提高极板上的电压，实现能量传输。图1-5电容式无线供电系统结构图近年来无线供电的发展速度越来越快，研究无线供电方向的国内外学者也越来越多，他们对空气CPT系统的研究做出了一系列重大的贡献，下面是一些研究的主要成果和方向。电力电子软开关相关研究：在CPT系统的电源传输端，电源提供的是直流电，而逆变器的作用就是将电源提供的直流电转变为高频的交流电。在前端的电能传输系统中需要保证逆变器的开关工作在软开关的状态，这样才能使得系统的效率尽量更大。由于E类功率放大器ADDINNE.Ref.{44CCDE81-5369-4BC3-BA2C-D20D05E690CB}[23]从技术角度来看,它们在理论上都是采用软开关进行切换,并且信号传输的效率都是100%，所以基于E类功率放大器的CPT系统正在成为目前主要研究的方向。此外,对于采用较多功率的设备,逆变器中又包括半桥逆变器和全桥逆变器。对于这两种类型的逆变器,想要使它们都处于软开关的状态,则必须把谐振网络调到弱感性区域ADDINNE.Ref.{F36F52D0-3C70-4BE7-BFD2-1650F51DA0E2}[24]。在这一个方向，新西兰奥克兰大学的专业团队在2009年提出了一种电压型推挽变换器ADDINNE.Ref.{97A97954-34DE-40D3-B493-70172CCDCD12}[25]，此类推挽变换器电路中的两个MOS管（S1，S2）软件驱动切换信号不必再强制需要由硬件外加的开关电路元件来进行提供,直接将后端前级的高频谐振信号网络转矩切换信号直接作为一个前级的硬件驱动切换信号,保证了对MOS管的软开关信号进行自动切换。西南交通大学针对传统CPT系统的单个转换器传输的能量不足以提供铁路交通的大功率需求ADDINNE.Ref.{FD1D5C58-A931-43EE-9B9F-0DE863F5F087}[26]，所提出的解决方案的问题是一个双发射单接收CPT系统，该系统将两个发射电路并联，使用了多个逆变器，可以将通过MOS管的电流减小一半，进而提升了系统的整体输入功率，从而使得CPT系统的输出功率得到了大大的提升。耦合机构相关研究：无线供电系统中耦合机构是其中的一个重要组成部分，CPT系统中的耦合系统主要是由金属极板构成的，其形状包括平板式、圆柱式、圆盘式、矩阵式等（图1-6）。在一些相关的文献ADDINNE.Ref.{E70883B5-895B-45A8-91D0-071EB1990807}[27]中，新西兰大学使用了一种矩阵型的耦合结构,通过多个不同开关电路器件的电源切换器来选择激发电位的正负,来不断增加和减少提高等效率的耦合极板电容,经过这种改变后该系统的耦合容值得到了提升，耦合机构的抗偏移能力也得到了相应的提高。图1-6常见耦合机构图日本学者针对CPT耦合机构的部分研究，他们研究了一种汽车无线充电的方法，通过增加系统的偏置电容来增加耦合电容器ADDINNE.Ref.{8371D873-7ECE-457C-973E-A97046C76045}[28]。为解决CPT系统谐振频率漂移等问题，宇都宫大学的学者们采用将有源负电容引入CPT系统的方法，达到提高系统整体稳定性和传输功率的目的ADDINNE.Ref.{B336FD11-0246-4174-A8D8-C4D5D226B1E2}[29]。大功率传输相关研究：在中国，重庆大学、大连理工大学、西南交通大学和上海交通大学都发表了有关于CPT系统的研究ADDINNE.Ref.{901D2A1F-2767-4888-8AAC-5FB69FE3EB6A}[30-32]。其中，西南交通大学针对传统CPT系统的单个转换器传输的能量不足以提供铁路交通的高能量需求ADDINNE.Ref.{6E135CF4-5EF2-411E-A36E-8CBC83BDF4CE}[26]，所提出的解决方案的问题是一个双发射单接收CPT系统，该系统将两个发射电路并联，使用了多个逆变器，可以将通过MOS管的电流减小一半，进而提升了系统的整体输入功率，从而使得CPT系统的输出功率得到了大大的提升。重庆大学在CPT研究方面紧随国外研究者们的步伐，主要研究了CPT系统的传输原理和构造。目前，他们在CPT系统的电路拓扑设计、调谐网络设计、耦合机制设计、频率控制等方面进行了理论研究和实验验证，搭建了不同发射功率的实验平台。该无线电能传输系统实验装置可传输功率60-200瓦，传输距离5毫米，效率80%以上，如图1-7所示。图1-7无线电能传输装置及传输模块[21]补偿网络可以通过谐振将系统无功功率的损失降到最小，从而达到增大系统功率的传输效率的目的。2015年美国密歇根大学的ChrisMi教授在车辆期刊上发表了一种新的CPT系统ADDINNE.Ref.{F9A4407F-E8E2-4D66-85C5-0C76D2F069BA}[33-35]，此系统使用了双边LCLC的调谐网络，并且能够稳定实现大功率的电能传输。当前国内外在CPT领域的研究主要都是在空气中进行，多是对电路系统或者耦合机构的设计上入手。相信随着研究的进一步深入，CPT无线供电系统能够得到广泛的应用。1.2水下CPT系统的研究现状日本的丰桥工业大学的研究团队在2018年针对耦合系数k值和品质因数Q值，设计了一种适用于水下无线电能传输的电容耦合器。由于功率传递效率取决于耦合器的耦合系数k和水的Q系数。他们找到了k与频率的关系，并确定了最大kQ积的系统设计参数ADDINNE.Ref.{190246D6-D6E3-4B45-96D5-E667E04C4A51}[36-38]。他们在2019年又推出了一种利用双层极板结构提高电耦合器效率的方法，该系统中使用的双电层可以提高Q值，可以大大提高水下的传输效率，最终他们在实验测量中获得了85.0%的最大功率传输效率ADDINNE.Ref.{2F538DDD-8E67-48AA-9E8C-0A873C98E38A}[39]。在2021年他们团队描述了一种淡水环境下抗偏移电容耦合器的设计ADDINNE.Ref.{61BF52F7-5016-4F04-9D26-DB2888A35BF9}[40]，根据耦合系数讨论了极板偏移量与传输效率之间的关系，并得到了极板偏移与传输效率没有明显关系的结论。西安理工大学的杨磊提出了一种适用于自主水下航行器的双向水下电容式无线功率传输系统。其系统采用了两个H桥电路来实现双向传输，并使用了双边LCLC补偿网络，确保了传输的稳定性和高效率ADDINNE.Ref.{281C1E9B-B9B4-4B82-B3AF-4C0B4588D10B}[41]。河北科技大学的李争设计了一种双边LC的水下CPT系统ADDINNE.Ref.{531A0ED8-2A61-4C4D-9D7E-B244A96BCE9E}[42]（图1-8），在研究中发现极板间的传输距离是影响水下无线充电效率的一个因素，而且两个电极之间的杂散电容也会影响极板间的功率，并以此证明了间隙的存在极大增加了极板之间的功率损耗。图1-8LC双边水下CPT系统结构图[42]其提出的方案基于电场耦合的无线充电器的功能，并探讨了水下电场耦合来进行无线充电的可行性。天津大学的科研团队研发出了一个用两对圆形铜板构成的耦合机构机构，通过该耦合机构他们证实了负载和系统频率对耦合机构功率损耗的影响（图1-9）。电场感应式水下无线电能传输是目前的研究热点，水下无线电能传输系统在空气、淡水ADDINNE.Ref.{CC52B2FF-6CF1-49F9-ADD3-079E4AE64B80}[43,44]、海水等不同介质中的传输特性研究有着重要意义。基于仿真软件模拟极板和电路的电场和电压电流的变化，通过实验得出极板不同间距下的功率变化结果。图1-9圆盘型耦合机构图[44]随着从事电力系统的学者越来越多，日本Urano等人在CPT领域取得了新的进展。在2016届IEEE国际电子器件会议上，介绍了他们所研究的水下无线电能传输系统，该系统中，电力传输距离为5mm，负载功率为3mW，在50Hz~500kHz的频率范围工作时负载功率基本保持不变。然而他们并没有进行更深入的研究，对水下功率的损耗原因依旧不明。在2017届IEEE国际电子器件会议上，他们推出了一种新的水下CPT模型ADDINNE.Ref.{36E4AECB-04A3-4A3A-81A0-76370AD8B74E}[45]，将CPT系统中的两个耦合机构设计成两种形式，他们将其中一对极板直接放入水中未采取任何绝缘措施，另一对极板用绝缘材料封装，然后置于水下，获得了75%左右的传输效率，如图1-10所示。在他们的研究中说明了单电容水下CPT模型的定义，由于海水是一种优良的导体，可以大致认为该水下CPT的极板直接导通。此外，他们还研究了单电容模型下的最佳工作频率，以及输入端为正弦波和方波电压时的系统功率传输效率。最后得出结论:单电容模型的CPT系统不需要严格的位置要求，但系统的功率传输效率与海水的离子浓度有关，暴露在海水中的金属板也会受到海水的影响，但具体原因没有指出。从目前的现状看来水下CPT系统的总体研究还不够深入，但理论研究的成果正在逐渐增加，其优势也获得了越来越多的学者的重视，应用的前景正在被逐渐开发。相比空气CPT系统，水下CPT系统还存在非常多的不完善的地方，需要更多的学者加入研究，取得进一步的研究成果。参考文献[1] EugenioCulurciello,AndreouAndreas-G.Capacitiveinter-chipdataandpowertransferfor3-DVLSI[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs,2006,53(12):1348-1352.[2] SebastianStoecklin,YousafAdnan,VolkTobias,etal.Efficientwirelesspoweringofbiomedicalsensorsystemsformultichannelbrainimplants[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2016,65(4):754-764.[3] RonHui.Planarwirelesschargingtechnologyforportableelectronicproductsandqi[J].ProceedingsoftheIEEE,2013,101(6):1290-1301.[4] ChihChengHuang,LinChun-Liang,WuYuan-Kang.Simultaneouswirelesspowerdatatransferforelectricvehiclecharging[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2017,64(1):682-690.[5] 朱春波，姜金海，宋凯.电动汽车动态无线充电关键技术研究进展[J].电力系统自动化,2017,41(2):60-65.[6] RiccardoTrevisan,CostanzoAlessandra.State-of-the-artofcontactlessenergytransfer(CET)systems:designrulesandapplications[J].WirelessPowerTransfer,2014,1(1):10-20.[7] 苏玉刚，苏玉刚，谢诗云，呼爱国，唐春森，周玮.LCL复合谐振型电场耦合式无线电能传输系统传输特性分析[J].电工技术学报,2015,30(19):55-60.[8] 张献，杨庆新，陈海燕，李阳，蔡燕，金亮.电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证[J].中国电机工程学报,2012,32(21):153-158.[9] 杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展[J].电波科学学报,2009,24(04):770-779.[10] FeiLu,ZhangHua,HofmannHeath,etal.AninductiveandcapacitivecombinedwirelesspowertransfersystemwithLCcompensatedtopology[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2016,31(12):8471-8482.[11] HuPatrickAiguo,ChenZhengjun,HUBmannStephan,CovicGrant,BoysJohnT.Adynamicallyon-offcontrolledresonantconverterdesignedforcoalminingbatterychargingapplications[A].IEEE,2002:1039-1044.[12] TakashiOhira.Via-wheelpowertransfertovehiclesinmotion[A].IEEE,2013:242-246.[13] XiaChen-Yang,Chao-weiLi,JuanZhang.Analysisofpowertransfercharacteristicofcapacitivepowertransfersystemandinductivelycoupledpowertransfersystem[A].IEEE,2011:1281-1285.[14] 张克涵，阎龙斌，闫争超，文海兵，宋保维.基于磁共振的水下非接触式电能传输系统建模与损耗分析[J].物理学报,2016,65(04):334-342.[15] 牛王强.水下无线电能传输研究进展[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2017,9(01):46-53.[16] LiuChao,HuPatrickAiguo.Modelingandanalysisofacapacitivelycoupledcontactlesspowertransfersystem[J].IETPowerElectronics,2011.[17] 张开，洪颜禹，张欢韵.电场耦合式无线供电技术研究[J].电源技术,2019,39(5):997-1000.[18] 陈希有，伍红霞，牟宪民，赵宁.电流型电场耦合无线电能传输技术[J].中国电机工程学报,2015,35(09):2279-2286.[19] 赵静，林宇.基于划小分割式电极的电场耦合无线充电方法[J].移动通信,2015,39(21):21-24.[20] 孙雨.电场耦合无线电能传输系统耦合机构研究[D].重庆大学,2014.[21] 周川.基于电场耦合无线电能传输技术研究[D].重庆:重庆大学,2012.[22] 胡友强，戴欣.基于电容耦合的非接触电能传输系统模型研究[J].仪器仪表学报,2010,31(09):2133-2139.[23] 高镇，于广强，刘宁.基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统设计[J].河海大学学报(自然科学版),2019,47(06):560-567.[24] SaurabhShekhar,MishraSantanu,JoshiA