电磁感应式非接触电能传输技术研究综述

高键鑫，吴旭升，高 嵬，李广义

（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

电磁感应式非接触电能传输技术研究综述

高键鑫，吴旭升，高 嵬，李广义

（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

非接触电能传输（CPT）技术可以使电气设备摆脱导线的束缚，极大地扩展电气设备的活动范围，提升特殊环境下供电的安全性能。针对目前CPT技术中应用较为广泛的电磁感应式非接触电能传输（ICPT）技术，首先论述了该技术的发展历程；然后以坡印廷矢量为理论基础，探讨了非接触供电技术的实现原理。将现有的CPT技术按实现原理进行了分类，将磁共振式非接触电能传输技术归入ICPT技术分类；系统性地分析了ICPT技术的主要技术难点，指出耦合器耦合系数低是ICPT技术的主要技术问题，其他问题是在该问题无法解决时采用其他技术弥补而产生的。最后，论述了ICPT系统的主要关键技术及现有解决方案。

非接触电能传输；磁耦合；谐振；无线电能传输

非接触供电CPT（contactless power transfer）技术采取不直接接触的方式进行电能传输。与传统的直接接触的导体供电相比，非接触供电技术克服了传统电能传输方式的一些不足，不仅解决了导线连接过程中的电火花、磨损、漏电等问题，同时为解决磁悬浮列车移动供电、内植式医疗设备密闭环境供电、水下监测无电缆电能传输等问题提供了一条新的可行的解决方案［1］。对非接触供电技术的研究是基础性研究，其产生的成果必将对人类的生活方式产生深入的影响，催生新的经济增长点和新的研究领域。

1 ICPT技术的发展历程

20世纪90年代，新西兰奥克兰大学的John Boys教授科研团队首次提出采用电磁感应的方式进行电能的无线传输，并深入研究了电磁感应式非接触电能传输ICPT（inductive contactless power transfer）技术的理论基础和原理［2-7］、功率控制策略［8-10］、启动控制问题［11］、感应耦合器设计问题［12-14］、控制信号调制同步传输问题［15］、系统稳定性问题［16-18］、电路分析方法［19,20］等。不仅在有轨电车、电动汽车［21］等交通工具上进行了工程实验和应用，也在生物体体内植入的医疗设备无线供电进行了研究。该团队的负责人Boys教授对该领域的大量深入的研究获得英国皇家学会勋章。

在产业推进方面，新西兰奥克兰大学附属奇思公司已经将ICPT技术成功应用于30 kW的旅客观光车的无线供电，该示范项目已经在新西兰Rotorua国家地热公园成功运行。此外，奥克兰大学还与Powerby Proxy公司合作研发了转动机械臂的无线电源装置。奥克兰大学的附属HaloIPT公司研制了电动汽车的无线充电装置，允许充电装置与电动汽车电源接收装置出现一定的位移，无需接收装置完全置于发射线圈的正上方。

2007年，美国麻省理工学院Marin Soljacic教授研究团队首次提出利用电磁共振的原理实现较长距离的无线供电。其研究成果发表在《Science》上，实现了2 m距离的60 W电能传输［22］。电能发射端和电能接收端以10 MHz的频率发生共振，在1 m距离上实现了电能传输效率85%以上、2 m距离传输效率约40%的令人振奋的成果。该成果引起了大量科研人员的关注，激发了科研工作者投身于无线电能传输领域的研究。

日本东北大学Fumihiro Sato等研究了机器人的无线电能传输［23］和电能及信号同步传输技术［24］，该技术为生物体内植入医疗设备的无线供电和信号传输提供了理论支撑；日本Kumamoto科技学院的Hiroshi Sakamoto等研究了无线供电的能量接收端电压稳定性［25］以及感应耦合器的涡流损耗问题［26］；日本日立实验室的Hideki Ayano等研究了电磁感应耦合装置线圈和铁芯的设计［27］；日本东京大学Takehiro Imura等研究了在耦合气隙发生一定变动的情况下如何保持谐振频率稳定的问题［28］，其设计的无线电能传输装置谐振频率选择在国际工业开放频率段13.56 MHz，并推导了气隙与电能最大传输效率的关系［29］；韩国Eun-Soo Kim等研究了串联补偿半桥谐振电磁感应耦合系统的传输效率与补偿电容、耦合电磁场频率、负载阻抗的关系，并进行了实验验证［30］；Sanghoon Cheon等则对该系统建立了节点方程，研究了系统各参数之间的函数关系，并着重实验验证了耦合场频率对系统传输损耗的影响［31］；西班牙 Jesus Sallan等对采用电磁感应方式的电动汽车无线充电系统进行了研究，设计了电磁感应耦合器一次侧和二次侧匝数、面积、耦合频率参数之间的优化方案［32］，后来，该科研团队又提出了一种电路补偿方案，用于解决一次侧和二次侧中心位移引起的系统传输效率下降问题［33］，实验验证了在功率2 kW、一次侧与二次侧距离15 cm时所提出补偿方案的可行性。

ICPT技术是人类认识到电能传输本质后，对电能传输方法的一次革命性的拓展和充满艰辛的探索，是当前无线电能传输技术研究领域中的主要研究热点。本文从电能传输的本质出发，按照电能非接触传输的实现原理对现有非接触电能传输技术进行系统分类，探讨ICPT技术在现有非接触电能传输技术中的所处位置。

2 ICPT技术在现有CPT技术中所处地位

2.1 CPT技术的理论根基及分类标准

传统的电路理论将电路中能量的流动简化为了电流的流动，认为导线中传输的能量是由电流传递的。这样的简化模型有助于对电路的分析和设计。但现代电磁场理论发现，实际情况并非如此。电能传输本质是电磁场的传输。导线的作用是引导电磁场的定向传播，导线中表现出来的电流是电磁场传播过程中在导体中的宏观现象。

导线中的电流与导线周围的电磁场相互转化，相互制约。当流经导线的电流频率较低时，导线周围的电磁场引起的导体中电流的变化并不明显，但随着电流频率的提高，导线周围的电磁场效应越来越明显，并能显著地改变导体中电流的传输方式，产生趋肤效应［34］（skin effect）、邻近效应［35］（proximity effect）。导线在电能传输中所起的作用仅是引导电磁波能量沿导线方向传输，通常称其为导波系统，各种结构形成的导线实际上就是各种不同的导波系统。当导体的电导率为有限值时，进入导体中的功率全部被导体吸收，转化为导体中的内能。

非接触电能传输技术实际上就是不使用导线形式的导波系统的电磁场能量定向传输技术。根据坡印廷矢量［36］有，电磁场的能流密度为电场强度E与磁场强度H的矢量乘积，表示单位时间通过垂直单位面积的能量，即

由式（1）不难看出，电磁场能量的传输是电场和磁场的相互作用的结果，可以采用引导电场的导波系统传输方式，也可以采用引导磁场的导波系统传输方式。

采用引导电场的导波系统的非接触电能传输方式主要是基于电场的容性供电方式。采用引导磁场的导波系统的非接触电能传输方式按照载波频率可分为：采用电磁感应原理的近场耦合方式、以微波为载体的电能传输方式和以激光为载体的电能传输方式。

图1 基于电场的容性电能传输方式原理Fig.1 Principle of capacitive power transmission mode based on electric field

2.2 基于电场的容性电能传输方式

基于电场的容性电能传输方式主要采用电荷“同性相斥，异性相吸”的原理，工作原理如图1所示。电能发射端的金属板带正电荷时，在电能接收端的金属板感应出负电荷；发射端的金属板带负电荷时，在电能接收端的金属板感应出正电荷。当发射端的金属板连接高频交流电时，就不断地在电能接收端的金属板感应出极性相反的电荷，进而产生电流。宏观的结果是高频交流电通过了发射端和接收端的金属板空隙，实现了电能的无线传输。

该技术优点是可以穿透金属进行电能的无线传输，在一些特殊的场合具有一定的优势［37,38］。 但是，该技术由于采用电容间的感应传输电能，对电容的两个感应金属板距离有极高的要求，传输距离极短，并且电容两个感应金属板间细微的位移变化将引起整个系统参数发生变化，电能传输不稳定甚至中断传输［39］。另外，采用这种方式可能会引起周围金属的感应，产生漏电。

2.3 采用电磁感应原理的磁场耦合方式

电磁感应非接触电能传输方式利用电磁感应的原理，通过高频变化的磁场进行能量的非接触传输。虽然高频变化的磁场会产生一定的高频变化的电场，产生一定的电磁波，但与微波电能传输方式不同，电磁感应主要利用磁场在能量发射、接收两端的感应耦合器进行能量交互，其频率一般情况下也低于微波段频率（300 MHz～300 GHz）。其工作原理示意如图2所示。

图2 采用电磁感应原理的磁场耦合方式工作原理Fig.2 Principle of inductive contactless power transfer system

由图2可以看出，整个系统由能量发生侧和能量接收侧两部分组成，这两个部分在物理结构上是相互分离的。

在能量发射端，为提高系统的电能传输效率和功率，必须向感应耦合器中注入高频交流电。典型的方式是交-直-交的变频方式，50 Hz的工频交流电经过整流滤波得到直流电，然后经过高频逆变模块转变成高频交流电。由于能量发射侧和能量接收侧的感应耦合器之间的电磁耦合程度较低、漏感较大。为调节功率因数，必须加上补偿模块，采用LC谐振的方式使感应耦合器于补偿电容之间形成谐振。一方面，改善功率因数，降低了对电源的要求；另一方面，有利于形成磁场和电场的共振，提高传输效率和功率。

在能量接收端，将感应耦合器感应的高频感生电动势经过副边补偿、整流滤波后变换为直流电，通过斩波电路等直流功率调节装置，将直流电调节至适当的大小供给后续负载使用。

2.4 以微波为载体的电能传输方式

微波电能传输MPT（microwave power transmission）方式主要是将电能转换为微波段的电磁波，由于微波波长短，在空气介质中定向性能好，能远距离地传输电能。其工作原理如图3所示。

图3 以微波为载体的电能传输方式原理Fig.3 Principle of power transmission mode using microwave as carrier

电能通过电磁波发生器转换为电磁波，电磁波通过发射天线进行定向传输。由于低频电磁波在空间中较易发散，在经过一段距离后，能量的耗散损失较大；而高频电磁波（微波）在空间中定向性能好，不易发散，能在较长的距离保持收敛。故一般情况下，采用微波频段进行长距离电能传输。微波在空间中受一定损耗后，被接收电线接收，经过电磁波/电能转换装置，转换为电能。

采用以微波为载体的电能传输方式能实现大范围、长距离的电能传输，但穿过障碍物的能力不强，且对传输电能的路径上会产生电磁兼容问题，影响电能传输路径上的电气设备正常工作。更严重的会产生强烈的电磁辐射，影响人的正常生理机能。采用该方案的无线电能传输方式主要应用于一些铺设有线线路比较困难的特殊场合。如为无人机远距离供电、卫星空间发电站向地球的电能传输等。

2.5 以激光为载体的电能传输方式

采用激光为载体的无线电能传输方式与采用微波为载体的方式原理相同，但激光的频率更高，高达384 600～789 500 GHz。由于波长比微波更短，方向性更好，经过长距离传输后仍然能保持光束集中，且光束容易对焦，传输路径可控，适合大范围、远距离无线能量传输。但同时其穿透性能差，易受中间介质的影响，尘雾会严重影响激光的传播。由于光束方向性好、能量集中，在激光的传播路径上非常危险，容易被激光烧蚀，不适合在有生物活动的区域使用。

此外，目前电能到激光、激光到电能的转换效率非常低，采用激光为载体的电能传输方式能量传输效率目前还有待进一步提升。

2.6 磁共振式CPT技术与ICPT技术的关系

以上述2007年MIT的Marin Soljacic发表在《Science》上的文章为标志，磁共振（magnetic resonance）技术由于能实现3倍线圈尺寸的电能无线传输，引爆了媒体的报道热情，大量的科研工作者投入该技术的研究。

许多科研人员将采用磁共振技术的电能传输方式与采用电磁感应原理方式并列，认为磁共振是一种新的技术，应当与本文所述的4种非接触供电方式并列，形成5种非接触供电方式的分类。

但通过使用等效电路的理论分析其工作原理，采用磁共振技术的非接触电能传输技术在原理上与采用电磁感应原理方式是一致的。前者并不是一个新的概念，只是后者在磁场耦合系数极低而采用极高电路品质因数Q时的一种工作方式，通过极高的品质因数Q来补偿极低的磁场耦合系数。以Marin Soljacic的方案为例，采用磁共振技术的非接触电能传输方式工作原理如图4所示。

图4 采用磁共振技术的非接触电能传输系统原理Fig.4 Principle of magnetic resonance contactless power transfer system

Sanghoon Cheon等［40］给出了Marin Soljacic等的装置等效电路，如图5所示。通过分析等效电路，其电能发射端等效输入阻抗可表示为

图5 采用磁共振技术的非接触电能传输装置等效电路Fig.5 Equivalent circuit of the magnetic resonance contactless power transfer system

式中：ω0为谐振角频率；Cp为电源侧线圈的等效寄生电容；Lp为电源侧线圈的等效电感；Cp为负载侧线圈的等效寄生电容；Lp为负载侧线圈的等效电感；KPS为电源线圈与发射线圈之间的耦合系数；KRD为负载线圈与接收线圈之间的耦合系数；KSR为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；Z0为负载阻抗；Z1为电源内阻抗。其中，

若能调节KPS、KRD、KSR满足

则采用磁共振式CPT技术的电能发射端等效阻抗可简化为

由于CP极小，忽略jωCp分量后，采用磁共振式CPT技术的电能发射端等效阻抗完全简化为Z0，说明只要满足式（5）即可完成整个装置的阻抗匹配。若忽略线圈电阻及电力电子器件损耗，理论上能实现100%的能量传输效率。但该效率仅仅是电能的非接触传输效率，为达到令人满意的效果，采用该技术必须使用至少10 MHz频率的交流电。现有该频率的DC-AC的转换效率较低，造成了虽然电能在非接触传输效率较高，但整机效率较低的困境。Marin Soljacic虽然声称耦合效率在1 m距离时电能传输效率高达 85%、2 m距离时传输效率约40%，但整机效率却只有15%，离实用化还有很长一段距离。

从上述分析可见，磁共振技术是利用了极高的品质因数Q来补偿了极低的磁场耦合系数，与采用电磁感应原理的非接触供电传输方式在原理上一致，故不赞成将磁共振技术与本文上述的4种非接触供电方式并列，形成5种非接触供电方式的分类。由于使用的原理相同，采用的电流频率段相近，故将采用磁共振技术的非接触电能传输方式归并到采用电磁感应原理的非接触电能传输方式。

综上所述，非接触供电的方式主要有4种：①基于电场的容性供电方式；②采用电磁感应原理的近场耦合方式；③以微波为载体的电能传输方式；④以激光为载体的电能传输方式。每种方式都存在各自的优缺点，有其适用的场合。

3 ICPT技术难点及关键技术

着重介绍采用电磁感应原理磁场耦合方式的非接触电能传输的技术难点和关键问题，并论述现有的主要关键技术实现方案。

3.1 高效耦合器设计技术

采用导线等接触式的导波系统的电能传输系统通过导波系统（如导线，波导管）将电场吸附在导波系统上，进而使得磁场也被吸附在导波系统周围空间，最终实现了电磁场极为高效地沿导波系统定向传输。若ICPT系统也具有定向的引导电磁场能力，则ICPT系统将获取与导线形式的接触式电能传输系统一样的电能传输能力。

由式（1）可以看出，定向引导电磁场主要有3种形式：一是通过引导电场，像接触式电能传输系统那样实现电磁场定向传输；二是通过引导磁场，实现电磁场的定向传输；三是同时引导电场和磁场。基于电场的容性CPT系统主要采用第1种形式，以微波、激光为载体的CPT系统主要采用第3种形式，ICPT系统主要采用第2种形式。然而，磁场在磁介质中传播是扩散的，很难将磁场聚焦成束进行定向传播，这造成了目前ICPT系统最大的技术瓶颈，即耦合器耦合系数偏低问题。耦合器的耦合系数低，导致电磁场能量传递过程中阻碍大，限制能量传输功率及效率。

耦合器耦合系数偏低问题是ICPT技术中的首要技术难点，其他技术难点都可在该瓶颈无法有效突破时采取其他弥补措施，如为增强耦合器耦合能力需要产生高频交流电技术；为减小耦合器输入端VA容量电能发射端需要采用功率因数校正技术；为补偿耦合器耦合系数不稳定电能接收端需要采用动态补偿及抗扰动技术。

现有的耦合器主要形式有：①单线圈结构耦合器，如空心线圈式结构、有铁芯松耦合变压器式结构、导轨式结构，其中空心线圈式耦合器又可分为平面线圈式和螺旋线圈式；②多耦合器复合结构，如磁共振经典4线圈结构、中继线圈结构、多层线圈重叠结构等。耦合器设计主要解决2个问题：一是提高耦合器耦合系数，二是解决耦合器微小相对位移造成的耦合器耦合系数大范围变化问题。前者主要是增强耦合器无相对位移时的电能传输功率及效率，后者主要是解决耦合器之间的稳定性问题。对复合线圈的研究发现，复合线圈无论在提高耦合器耦合系数方面还是解决耦合器稳定问题都比单线圈有更多的优势。

图6 现有单线圈耦合器主要形式Fig.6 Main forms of single coil coupler

图7 现有多耦合器复合结构主要形式Fig.7 Main forms of the existing multi coupler structure

对于单线圈结构，Low［41］研究了松耦合可分离变压器式耦合器气隙、水平位移对耦合系数的影响；曹玲玲等［42］对松耦合变压器绕线形式对耦合系数的影响，采用磁路定性的分析了提供耦合系数的方法，并对松耦合变压器磁场进行了有限元仿真；孙跃等［43］研究了有铁芯松耦合变压器式和导轨拾取方向对耦合系数的影响。在多耦合器复合式结构方面，Jolani等［44］研究了阵列耦合器，与同尺寸的单线圈结构耦合器进行了对比，对比结果显示多耦合器复合结构在传输效率方面有较大的优势；Oodachi等［45］提出了在异相激励模式下增大电能发射端阵列耦合器耦合系数的方法；RamRakhyani等［46］研究了多中继线圈情况下的耦合器中等距离的传输效率和功率，分别分析了单耦合器结构和多耦合器复合结构增加中继线圈的效果，验证了增加中继线圈可以提高耦合效率的设想。

3.2 电能发射端高频交流电产生技术

由于耦合器耦合系数较低，采用工频交流电难以在电能接收端感应出理想电压。电能接收端感应电压与耦合系数M、电流频率ω、电能发射端电源电压U成正比，与电能发射端输入阻抗Zin成反比。提高耦合器的共振频率可以在耦合系数不变的情况下提高电能接收端的感应电压。因而产生了电能发射端对交流电高频化的需求。

目前，产生高频交流电的方式主要有3种：一是采用LC振荡电路，如Kurs等［22］所使用的方案，该方法由于调节震荡频率需要调节LC电路元件参数，操作较为复杂，且转换效率较低，采用该方案的较少。二是采用电力电子逆变电路，如图8所示典型的全桥逆变电路。但由于目前电力电子器件本身限制，所能实现的频率大部分是kHz级别，很难实现高效的大功率MHz电流逆变。三是采用无线通信领域的功率放大电路，如图9、图10所示D类、E类功率放大器。Peter Wambsganss等［47］研究了D类功率放大器的损耗问题；Zhen［41］采用E类放大器实现了高频功率交流电的获取。采用功率放大技术优点是可以实现MHz等级的高频交流电获取，可以达到工业科研医疗使用的13.56 MHz频段ISM（industrial,scientific and medical）。但采用该方案缺点也十分明显，电路的品质因数Q过高，电路参数的微小扰动将使整个非接触电能传输系统产生巨大的波动，很难控制电路始终工作在共振频率，并且由于ISM频段可使用的频率调节范围只有13.56 MHz±7 kHz，可控调节的频率范围十分狭小。

3.3 电能发射端功率因数校正技术

采用电磁感应原理方式由于其耦合器间的互感系数较低。若不采用补偿的方法，其电能发射端和接收端的VA值很高，而有效值非常低。加之耦合器通过高频电流，趋肤效应、邻近效应使得耦合线圈电阻增大，进一步降低了非接触供电的传输功率和效率。所以，现有方案均采用了补偿器件在耦合器电流输入、输出端进行补偿，调整功率因数。图11为最基本的4种补偿拓扑结构，仅采用一个电容器件，按照一次侧（电能发射端）和二次侧（电能接收端）电容的串并联关系，可以分为串—串（SS）、串—并（S－P）、并—串（P－S）和并—并（P－P）4种最基本的结构。

图8 全桥逆变电路Fig.8 Full bridge inverter circuit

图9 D类放大器Fig.9 Class D amplifier

图10 E类放大器Fig.10 Class E amplifier

图11 只采用1个电容的4种基本补偿拓扑结构Fig.11 Four basic compensation topologies using one capacitor

按照采用的无功器件个数，可以分为1阶补偿、2阶补偿、3阶补偿等。

1阶补偿结构即为图4所示的4种基本补偿拓扑结构，即只采用1个电容器件的补偿结构。文献［16］详细分析了这4种基本结构，文献［48］给出了这4种不同拓扑结构补偿电容的参数计算方法。2阶补偿的一般采用的是LC补偿结构。考虑其排列组合形式，共6种不同的结构。Yang［49］、Pantic［50］等详细研究了这6种结构，其中一种串—并联形式的LC组合结构在非接触供电中效果最好，如图12所示。该结构除了应用于文献［6］中的非接触电能传输系统具有良好的效果外，还被广泛的应用于电磁加热领域［51］。LC补偿结构中电感L和电容C作用主要有2个：与耦合线圈一起形成谐振，传输指定频率的电流；过滤谐振频率的高次谐波，将逆变器输入的方波信号转化为近似的正弦波信号，便于耦合器间形成平滑的感应电压电流，同时有利于减少其他频率的电磁干扰。该结构可以工作在连续模式［51］和断续模式［6］两种模式下。文献［5,52］分析了该结构的连续输出条件、连续断续输入模式的稳态特性。

图12 LC补偿结构Fig.12 LC compensation structure

图13 LCC补偿结构Fig.13 LCC compensation structure

一般情况下1阶、2阶补偿结构已经可以满足大多数非接触电能传输系统的要求，但若实现较为复杂的单发射器对多接收器非接触供电系统或者负载阻抗在供电过程中经常发生变化时，1阶、2阶结构提供的设计自由度难以满足需求。所以需要引入3阶补偿结构，提供更多的设计自由度。3阶补偿结构形式众多，如图13所示的LCC结构，因能提供电能发射端与电能接收端阻抗的解耦，极大地方便了电能发射端电路的设计，并被大量研究［53-55］。文献［55,56］采用经典零相角ZPA（zero phase angle）设计方法对LCC补偿电路参数进行了分析。但是，由于非接触供电输入补偿网络的一般是直流逆变的方波信号，而ZPA的分析基于正弦波，虽然很多研究者使用傅里叶级数分解的方法展开方波得到正弦波，用基波近似代替方波来使用ZPA方法对LCC电路参数进行分析，但由于奇数谐波总和仍然非常高，使得使用ZPA方法得到的LCC电路参数在实际中难以达到真正的零相角目标。鉴于奇数次谐波引起的逆变模块开关损耗问题，Pantic Zeljko［57］、高键鑫［58］等提出了一种零电流开关ZCS（zero current switching）LCC补偿网络参数计算方法，考虑了方波中的谐波影响。由于忽略了逆变模块输出电压电流的相角差，以及在计算过程中采用欧拉级数对谐波之和做了近似处理，其所提出的算法仍然不能实现真正的逆变模块开断瞬间零电流。但与其他LCC补偿网络参数计算算法相比，仍然具有一定的优势和借鉴意义。

3.4 电能接收端主动调谐及抗扰动技术

由于耦合器耦合系数不稳定问题及采用谐振电路造成微小扰动放大问题，电能接收端感应电压变化范围较大，不能整流后直接给负载供电，必须对感应电压或电流进行调节后再给负载供电。此外，由于感应的电压值或电流值与电能接收端阻抗相关，电能接收端可以采用主动调谐技术，改变自身阻抗、共振频率调节感应电压电流。

图14 多电容库动态接入技术原理Fig.14 Principle of multi capacitor bank dynamic access technology

目前主动调谐技术主要有采用多电容库动态接入技术［6,16］、采用移相可控电感器调节技术［9,58,59］、采用磁放大器调节技术［60,61］、几何控制技术［62］、共振频率调控技术等。采用多电容库动态接入技术原理如图14所示，采用多个电容并联电能接收端耦合器，通过控制器控制电容的接入与断开，进而调节电能接收端的阻抗值，实现一定范围的电能调节。电容值采用二进制方案［63］，尽可能使用较少的电容实现较多的电容值组合。该方案存在的问题较多，在接入断开电容时电路无法调节电压电流，可能造成负载在短时间内无电能供应或供应电能达不到负载要求的情况，文献［63］所提方案中在电容切换过程中存在接近5 s的控制真空区，该方案难以适用于负载阻抗频繁变化的场合。此外，最佳的控制电容接入断开时机还需要了解负载的阻抗变化特性，否则可能会造成频繁接入断开电容的情况发生。

Nakamura［59］、Hu［9］、杨民生［48］等从控制电能接收端电感出发，采用移相可控电感器调节技术来调节电路的阻抗值，进而调节感应电压电流。该方案原理如图15所示，另一种形式的移相可控电感如图16所示。该技术通过控制电力电子开关导通角α来控制对外电路表现出来的等效电感Leq1、Leq2，即

采用磁放大器调节技术主要采用直流电流控制铁芯磁化程度，进而控制交流绕组的电感。图17为采用磁放大调节技术原理［60,61］。其控制方法与采用电力电子器件的移相可控电感器相同，都是控制电能接收端电感，实现电能接收端的感应电压电流的控制。采用该方法优点是减少了电力电子器件，使用的元器件数量少。但同时也存在许多缺点，如电感调节响应速度慢，存在滞后现象；控制磁放大器直流程序复杂；磁放大器体积大；工作频率较低等。

图15 采用移相可控电感器调节电路阻抗值原理（1）Fig.15 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using phase shifting controllable inductor（1）

图16 采用移相可控电感器调节电路阻抗值原理（2）Fig.16 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using phase shifting controllable inductor（2）

除上述主动调谐技术外，文献［64］提出了采用控制耦合器方向调节耦合系数来实现电能接收端的主动调谐。工作时通过调整电能接收端的耦合器耦合方向，当偏离电能发射端轴向方向时，耦合器耦合系数降低，靠近电能发射端轴向方向时，耦合器耦合系数增高。采用此方案是以牺牲耦合系数为代价的，仅适用于对传输效率要求较低的小功率场合。文献［9,10］提出采用电力电子开关控制的电容或电感，刻意使电能接收端失调，不工作在共振频率，采用调整电路工作频率的方法，稳定电能接收端的感应电压。当电能接收端感应电压低于额定值时，调整电路工作频率靠近共振频率。反之，则调整电路工作频率远离共振频率。采用该方案与上述的控制耦合器方向方案思路相同，都是以牺牲电能传输效率为代价，其调整范围较为有限。此外，采用此方法会将电能接收端的电抗反射到电能发射端，引起电能发射端的功率因数降低，增加损耗。

图17 采用磁放大器调节电路阻抗原理Fig.17 Principle of adjusting impedance value of the circuit by using the magnetic amplifier

4 结语

本文回顾了ICPT技术的研究历程，从电能传输本质出发，分析了非接触电能传输技术的理论基础及分类标准。将非接触电能传输技术按实现原理分为4类，将磁共振式CPT技术归入ICPT技术分类。分析了ICPT技术的难点，指出ICPT技术的主要技术问题是耦合器耦合系数低问题，其他问题的产生都是该问题无法解决时采用弥补技术而产生的问题，并系统性地总结了ICPT技术的主要关键技术的现有解决方案。

大功率非接触电能传输是人类长久以来的美好梦想之一，许多科研工作者在追逐这美好梦想的道路上前赴后继。既有阶段性的成果的喜悦，也有设想破灭时的低沉。纵使荆棘载途，也难以阻挡人们的激情，可以预期离梦想实现指日可待。

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高键鑫

谢佳季

作者简介：

谢佳季（1992－），男，硕士，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：14121484@ bjtu.edu.cn。

游小杰（1964－），男，博士后，教授，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：xj you@bjtu.edu.cn。

郭希铮（1981－），男，通信作者，博士后，副教授，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：xzhguo@bjtu.edu.cn。

武晶晶（1992－），女，硕士，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：151214 86@ bjtu.edu.cn。

李志坚（1993－），男，硕士，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：161260 36@ bjtu.edu.cn。

Review on Inductive Contactless Power Transfer Technology

GAO Jianxin,WU Xusheng,GAO Wei,LI Guangyi
（Department of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

Contactless power transfer（CPT）technology can make electrical equipment get rid of the shackles of wires, can greatly expand the scope of the electrical equipment,and enhance the safety performance of power supply in special environment.Aiming at the inductive contactless power transfer（ICPT）technology which is one of CPT technology widely used,firstly,the development of the ICPT technology is discussed.And then,using the Poynting vector theory,the principle of CPT technology is discussed.The existing CPT technology is classified according to the difference of the realization principle.The magnetic resonance contactless power transfer（MRCPT）technology is classified into ICPT technology.The main technical difficulties of ICPT technology are analyzed systematically.It is pointed out that the low coupling coefficient of coupler is the key technical problem of ICPT technology,and the other problems are caused by this problem.Finally,the key technologies of ICPT system and the existing solutions are discussed.

contactless power transfer;magnetic coupling;resonance;wireless power transfer

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.166

TM 724

A

高键鑫（1989-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：大功率无线供电技术，E-mail：gaojianxin_cn@163.com。

吴旭升（1976-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力集成技术，E-mail：wuxusheng_hg@163.com。

高嵬（1980-），男，博士，研究方向：电机与电器，E-mail：depkin@163.com。

李广义（1991-），男，博士研究生，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：530 785601@qq.com。

2016-11-06

国家自然科学基金资助项目（51507183）；海军工程大学博士创新基金资助项目（4142C15H）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51507183）;Innovation Foundation of the Naval University of Engineering（4142C15H）