重庆邮电大学研究团队提出一种靶向全方位无线传能方法

针对传统无线电能传输系统中发射线圈与接收线圈发生位置或角度偏移时系统输出能效急剧下降的问题，本文提出一种靶向全方位无线传能方法，该方法通过互感识别以间接判断出“靶”（即，接收线圈）的方位，通过移相角优化以获得靶向传能所需的激励电流，进而使合成磁场总是垂直指向（靶向）接收线圈，最终使接收线圈处于任意方位时均能实现高效率全方位无线传能。

研究背景

传统无线传能技术属于“点对点式一维定向”传能模式，当拾取线圈与发射线圈之间发生位置或角度偏移时，系统的输出能效急剧下降，甚至导致系统不能正常工作，这极大限制了无线传能技术的推广应用。为解决该问题，全方位无线传能技术应运而生，该技术可有效弥补传统无线传能技术抗偏移能力弱、传输角度单一等缺点，具有良好的位姿鲁棒性。

论文所解决的问题及意义

控制全方位磁能发射机构产生指向拾取线圈的磁场（靶向磁场）可减小耦合机构漏磁、提升传能效率。要实现靶向传能，则首先需检测出“靶”（即，拾取线圈）的位置及姿态，其次需根据拾取线圈位姿与发射机构激励电流的映射关系控制激励电流使发射机构产生的合成磁场指向拾取线圈，本文旨在解决“靶向传能需求下拾取线圈位姿与激励电流的数学描述”这一关键科学问题。

研究成果将进一步丰富全方位无线传能系统的理论体系，同时为促进全方位无线传能技术的产业化和商业化应用提供理论指导及工程参考。

论文方法及创新点

提出复合平面线圈及其耦合机构如图1所示，复合平面线圈由两个交叉的8字形线圈（线圈-1和线圈-2）和一个环形线圈组成（线圈-3），线圈-1、线圈-2和线圈-3分别主要产生x方向、y方向和z方向的磁场，通过合理的激励电流调控策略，复合平面线圈产生的合成磁场可指向任意方位，从而实现全方位无线传能。

图1 复合平面线圈及其耦合机构示意图

靶向传能的关键在于对激励电流的大小和方向的控制，为便于对激励电流的控制，本文采用三个独立的逆变器分别驱动三个发射线圈，系统的电路拓扑如图2所示，原边采用LCC谐振补偿网络可使发射线圈的激励电流仅受逆变器输出电压控制，与互感及负载无关。

图2 系统电路拓扑

提出的基于互感识别及移相角优化的靶向传能方法的流程图如图3所示。基本思想为：接收线圈方位改变会引起接收线圈与每个发射线圈的互感变化，可通过互感识别间接判断出接收线圈的方位。另一方面，实现靶向传能的目的在于减小磁耦合机构的漏磁，并且使接收线圈在任意方位下都能高效捕获磁能，从而实现磁耦合机构最大效率传输。因此，本文以磁耦合机构效率为切入点，首先识别出互感，以磁耦合机构最大效率为优化目标优化移相角即可得到靶向传能所需的激励电流。

图3 互感识别及移相角优化的流程图

搭建了100W级全方位无线传能实验装置如图4所示。

图4 全方位无线传能实验装置

为了便于直观说明本文提出的靶向方法的优越性，实验中将靶向方法与旋转方法以及同流方法进行对比分析，实验对比结果如图5所示。同流方法不能实现全方位无线传能，靶向方法的效率比旋转方法的效率至少高10%。此外，在靶向方法中接收线圈在±60 mm范围内任意移动或者旋转时系统直流-直流效率均大于80%，具有良好的抗角度偏移和抗位置偏移性能。

图5 接收线圈旋转和偏移下三种调控方法的效率对比

结论

为提升全方位无线传能系统效率，本文提出了基于互感识别及移相角优化的靶向传能方法。该方法通过互感识别以间接判断出“靶”（即，接收线圈）的方位，通过移相角优化以实现靶向传能所需的激励电流。本文提出的系统及方法对于智能手机、平板电脑等可移动电子设备多自由度无线充电的应用具有前景价值。

团队介绍

课题组成员隶属于重庆邮电大学工业物联网与网络化控制团队，团队负责人为王平教授。团队中的无线供电课题组主要在无人机、无人车以及电动汽车无线充电等领域开展理论研究及工程应用，课题组现有博士4人，均毕业于重庆大学无线电能传输技术研究所孙跃教授团队。

课题组近年来在无线电能传输领域主持或承担了国家自然科学基金项目、国家重点研究计划子课题、中国博士后基金、重庆市博士后基金、重庆市重点研发项目，发表SCI/EI论文20余篇，获授权发明专利10余项。

冯天旭

博士，硕士生导师，主要研究方向为全方位无线电能传输技术。

蒋金橙

博士，硕士生导师，主要研究方向为多激励无线电能传输技术。

王佩月

博士，主要研究方向为能量信号同步传输技术。

史可

博士，主要研究方向为电动汽车无线充电技术。

本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“基于互感识别及移相角优化的全方位无线电能传输系统靶向传能方法”。本课题得到国家自然科学基金和重庆市博后基金的支持。

引用本文

冯天旭,史可,孙跃,王佩月,蒋金橙. 基于互感识别及移相角优化的全方位无线电能传输系统靶向传能方法 [J]. 电工技术学报, 2023, 38 (24): 6581-6595. Feng Tianxu, Shi Ke, Sun Yue, Wang Peiyue, Jiang Jincheng. Targeted power transfer method for omnidirectional wireless power transfer system based on mutual inductance identification and phase-shift angle optimization [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38 (24): 6581-6595.