無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）技術(shù)是借助空間無(wú)形軟介質(zhì)（電場(chǎng)或磁場(chǎng)）將能量從發(fā)射端以無(wú)電氣連接的形式傳遞至拾取端的全新電能傳輸技術(shù)，其應(yīng)用使得用電設(shè)備避免金屬觸點(diǎn)拔插打火、磨損以及漏電等弊端，擺脫線纜的約束。在植入式醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車(chē)充電、LED燈飾和軌道交通等諸多重要應(yīng)用中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及廣闊的前景。

常見(jiàn)的無(wú)線電能傳輸方式主要分為磁場(chǎng)耦合式（Inductive Power Transfer, IPT）和電場(chǎng)耦合式（Contactless Power Transfer,CPT）。IPT系統(tǒng)采用高頻交變磁場(chǎng)傳遞能量，隨著半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用最為廣泛，目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)集中于磁場(chǎng)耦合方式。

但是在軌道交通等大功率非接觸供電領(lǐng)域中，機(jī)車(chē)車(chē)體和軌道通常由鋼材或鋁合金材料構(gòu)成，IPT系統(tǒng)對(duì)金屬較敏感，會(huì)引起金屬發(fā)熱產(chǎn)生渦流損耗，使得傳輸效率下降。同時(shí)其耦合機(jī)構(gòu)需要使用鐵氧體材料和利茲線來(lái)繞制，增加了重量和成本。

而CPT系統(tǒng)以高頻電場(chǎng)作為載能介質(zhì)，僅用輕薄廉價(jià)的鋁板或銅板作為耦合機(jī)構(gòu)，在周?chē)嬖诮饘傥矬w時(shí)，泄漏電場(chǎng)不會(huì)在其中引起渦流損耗，具有良好的傳導(dǎo)性且耦合機(jī)構(gòu)的成本較低、重量較輕。因此逐漸吸引了國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)對(duì)CPT技術(shù)展開(kāi)研究。

• 過(guò)去基于CTP的無(wú)線電能傳輸研究多集中于小功率系統(tǒng)，大功率的研究和應(yīng)用很少，直到2015年末圣地亞哥州立大學(xué)C. Mi教授針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)LC串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方式，提出雙邊LCLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸距離為150 mm時(shí)傳遞2.4kW的能量，效率達(dá)90.8%。
• 有學(xué)者通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)CPT系統(tǒng)單管ZVS變換器，在耦合電容為24nF的條件下，實(shí)現(xiàn)kW級(jí)的功率傳輸。
• 有學(xué)者為了節(jié)省空間，將耦合極板垂直排列，采用雙邊LCL拓?fù)溲a(bǔ)償結(jié)構(gòu)提高極板兩端電壓以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，在空氣間隙為150 mm的情況下傳遞了1.88 kW的能量，效率達(dá)85.87%。

將CPT系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通等大功率場(chǎng)合供電時(shí)，要求實(shí)現(xiàn)大功率電能的非接觸傳輸。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于逆變器及功率開(kāi)關(guān)器件的容量有限，單個(gè)逆變器較難滿足CPT系統(tǒng)大功率電能傳輸?shù)囊?，因此有必要在現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件和逆變器水平條件下，研究增大逆變器總?cè)萘康姆椒▉?lái)提升CPT系統(tǒng)的傳輸功率。

本文針對(duì)軌道交通大功率應(yīng)用場(chǎng)合，提出一種雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，通過(guò)將兩個(gè)逆變器并聯(lián)，降低功率開(kāi)關(guān)管電流來(lái)提升系統(tǒng)輸入功率，從而提高CPT系統(tǒng)的傳輸功率。此外，本文采用基波近似法（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）分析電路工作原理，考慮雙發(fā)射機(jī)構(gòu)間相互耦合的影響，合理地配置系統(tǒng)參數(shù)，使電路達(dá)到諧振狀態(tài)。最后，本文搭建了1.47kW輸出的雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，與單發(fā)射單接收進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法的有效性。

圖1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖

圖8 雙發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)單個(gè)逆變器傳輸?shù)哪芰坎荒軡M足實(shí)際軌道交通大功率需求的問(wèn)題，本文在六極板耦合電容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三端口電路模型的基礎(chǔ)上，提出了一種雙發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，通過(guò)提升逆變器輸入功率總?cè)萘康姆绞?，?shí)現(xiàn)大功率輸出。

采用有限元分析法在Maxwell中仿真得到極板耦合電容值，實(shí)驗(yàn)搭建了傳輸距離為22mm的雙發(fā)射單接收與同發(fā)射面積、同傳輸距離的單發(fā)射單接收CPT系統(tǒng)，均實(shí)現(xiàn)了1.47kW大功率能量傳輸。

本文具有如下特點(diǎn)：

• 1）提出采用逆變器并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)CPT系統(tǒng)功率提升。在相同逆變器、開(kāi)關(guān)器件、補(bǔ)償電感電容和端口電壓的容量限制條件下，通過(guò)增加逆變器數(shù)量，使流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流減半，從而提升系統(tǒng)輸入功率，達(dá)到提升CPT系統(tǒng)傳輸功率的目的。
• 2）提出了一種雙發(fā)射單接收耦合極板的等效電路模型，可將六極板結(jié)構(gòu)15個(gè)耦合電容簡(jiǎn)化成三端口受控源模型。
• 3）考慮雙發(fā)射機(jī)構(gòu)間的相互耦合電容影響，給出系統(tǒng)諧振電路參數(shù)配置方法。