基于集成线圈的自谐振耦合器的混合无线电力传输技术

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Hybrid Wireless Power Transfer With Self-Resonance Coupler Based on Integrated Coil

本研究基于电感耦合（IPT）与电容耦合（CPT）的互补性，设计了一种紧凑型混合无线能量传输（HPT）系统。通过集成线圈与板式结构的磁-电场耦合机制，实现了能量传输通道共享，提升功率传输与能量密度。实验验证显示，自谐振耦合器在传输功率、抗偏移及过耦合抑制方面优于传统IPT方案，HPT在传输距离、功率及效率上优于CPT，适用于中功率场景如检测机器人及无人机，兼具体积小、重量轻、高功率密度和强抗偏移特性。

　　

摘要：

本文基于感应式无线电力传输（IPT）与电容式无线电力传输（CPT）在耦合器和调谐方法上的二象性，设计了一种集成线圈，以实现紧凑型混合无线电力传输（HPT）。线圈和板状结构构建的磁场耦合与电场耦合共享一个能量传输通道，从而提升了传输功率和能量密度。线圈的感抗与板状结构的电容相互补偿。集成线圈的谐振频率被调整至kHz范围，并通过增加额外的调谐电感器和电容器来优化自谐振耦合器的性能，使其更加轻便。线圈与板状结构的堆叠设计使得集成线圈能够实现高度集成和小型化。实验平台功率为300瓦，并进行了一系列对比实验。与传统的IPT耦合器相比，自谐振耦合器在传输功率、抗偏移和过耦合抑制方面表现出更好的性能。HPT在传输距离、传输功率和传输效率上均优于CPT，尤其在需要体积更小、重量更轻、功率密度更高以及抗偏移能力更强的中功率应用场景（如检测机器人和无人机）中具有明显优势。

引言

19世纪，特斯拉提出了无线电力传输（WPT）的概念，并进行了相关实验[1][2]。最著名的例子是沃尔登·克莱夫塔（也称为特斯拉塔）。由于当时设备性能、经济性等因素的限制，WPT的发展较为缓慢。2007年，麻省理工学院（MIT）对WPT技术进行了改进，引入了补偿电容器用于谐振调谐，显著提升了WPT的性能[3]，此后WPT进入快速发展阶段，应用领域和功率水平不断扩大。目前最常见的应用是低功率设备的无线充电，相关产品已上市，例如手机、耳机、牙刷等[4][5][6]。高功率WPT也在电动汽车、火车等领域得到尝试[7][8][9][10]。随着WPT应用领域的扩展，其类型日益多样化，包括磁场WPT、电场WPT、超声波WPT、激光WPT、可见光WPT等[3][11][12][13]。其中，磁场WPT（即感应式无线电力传输IPT）是研究最为深入的类型；另一种类型是电场WPT（即电容式无线电力传输CPT），由于不会产生IPT所导致的磁场干扰而逐渐受到关注。在IPT中，磁场被用作非接触式能量传输的介质，传输功率范围从毫瓦到数百千瓦[15]；而在CPT中，电场作为传输介质，其优点包括耦合器重量轻且无磁场干扰。