西南交大学者提出可解决失谐问题的多发射多接收无线电能传输系统
Southwest Jiaotong University scholars put forward a multi-transmit multi-receive radio energy transmission system which can solve the problem of mismatch
近年来，随着供电水平要求的提高，单发射单接收的电场耦合无线电能传输（EC-WPT）系统难以满足不同功率等级应用的需求。采用多发射多接收的EC-WPT系统可以有效地扩展输出功率水平等级。然而，在考虑耦合机构的全电容模型的情况下，因为传能通道间的耦合关系，多发射多接收的EC-WPT系统会存在系统失谐问题。为了解决此问题，本文提出了一种基于同侧解耦型耦合机构的双发射双接收的EC-WPT系统。
研究背景
电场耦合无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer , EC-WPT）作为主要的无线电能传输技术，其原理是通过金属极板之间的高频交变电场来传输电能，所采用的电场耦合机构具有设计灵活性高、重量和体积小等优点。近年来，在无人机、水下自主机器人、电动汽车和轨道交通等应用领域中，围绕EC-WPT技术的研究逐渐增多。
随着电气设备类型的增加，不同功率等级的充电要求也随之增加。可扩展的模块化设计作为一种较优的解决思路，通过将多个具有适当功率容量的无线电能传输模块级/并联，从而构建不同功率级别的无线供电系统，用以满足实际用电需求。但已有研究表明，多发射多接收EC-WPT系统耦合机构的交叉耦合会影响系统的运行状态，而该问题尚未得到重视和有效解决。
论文所解决的问题及意义
提出十六块分裂极板式耦合机构并应用于多通道EC-WPT系统，在不新增补偿元件的前提下，实现了多耦合通道EC-WPT系统的同侧解耦，解决了多耦合通道同侧耦合对EC -WPT系统谐振的影响。研究成果用于指导多耦合通道EC-WPT系统的解耦设计。
论文方法及创新点
1）系统建模
图1 双发射双接收EC-WPT系统电路图
对于双发射双接收EC-WPT系统，基于多端口电场耦合机构的一般电容模型建模方法，可以将双发射双接收EC-WPT系统简化为四个相互耦合的电路。简化电路中通过LC电路补偿耦合机构的自容后，对系统输入阻抗分析，可以得出以下结论：代表同侧耦合受控源的存在会导致系统阻抗角不为零，而输入阻抗为零是EC-WPT系统能够谐振运行的必要条件。因此，在构建多耦合通道EC-WPT系统之前，需要消除电场式耦合机构的同侧耦合。
2）同侧解耦型耦合机构的提出
图2 双发射双接收电场耦合机构
为了解决同侧耦合导致双发射双接收EC-WPT系统失谐的问题，从耦合机构角度出发，提出一种具有同侧解耦特性的双发射双接收电场耦合机构结构。通过有限元仿真以及多端口电场耦合机构的一般电容模型建模方法，发现所提出基于分裂十六极板的电场耦合机构的同侧互容阻抗的值远小于传统的八极板耦合机构，且接近于零。
以所提出的极板结构作为耦合机构的双发射双接收EC-WPT系统能够在负载变化条件下，仅在补偿端口自容后，系统始终能够谐振运行。
图3 两通道输入阻抗角与负载阻抗的关系
然而为了获得同侧解耦特性，基于分裂十六极板的电场耦合机构牺牲了一定的正对耦合强度。对于耦合机构的偏移特性，相较于传统双发射双接收电场耦合机构，所提出的电场耦合机构在保证其对称性的条件下，始终具有同侧解耦特性。
图4 主耦合系数与抗偏移特性对比
3）实验验证
图5 基于解耦型耦合机构EC-WPT系统实验装置
实验结果表明：在所提耦合机构正对和偏移情况下，其同侧解耦效果均良好；在不同负载条件下，基于同侧解耦型电场耦合机构的双发射双接收无线电能传输系统的两个通道均能谐振运行。
图6 基于同侧解耦型耦合机构的EC-WPT系统实验波形
结论
本文提出了一种适用于具有多功率传输通道的EC-WPT系统的同侧解耦型电场耦合机构，该耦合机构从原理上消除了同侧耦合以及解决了由此产生的系统失谐问题。具体给出了基于十六块分裂极板的解耦型耦合机构的结构，并将其应用于EC-WPT系统。
理论分析表明，该耦合机构的主耦合系数与传统耦合机构的主耦合系数基本相同，并且在x轴偏移情况下仍能保持解耦效果。当负载在较大范围内变化时，基于解耦型耦合机构的EC-WPT系统能够始终运行在谐振状态，实验结果验证了上述理论分析。