磁耦合谐振式动态无线电能传输技术（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）受到国内外学者广泛关注，该技术可应用于自动导引车（Automatic Guided Vehicles, AGV）和电动汽车（Electric Vehicles, EV）的供电系统。它的主要优点是可以消除AGV或EV对电池的依赖，因为AGV或EV使用DWPT系统时，可以在行驶时充电。然而在DWPT系统中，发送线圈和接收线圈沿运动方向不可避免地会产生水平偏移，从而导致其互感变化。

值得注意的是，在DWPT系统中，沿运动方向的水平偏移可能会至少达到传输线圈边长（或外径）的一半。在此极限偏移下，互感的变化非常剧烈，严重影响DWPT系统的稳定性。目前主要有两种方法来解决线圈偏移对无线电能传输系统稳定性的影响，即阻抗匹配方法和新线圈结构的设计与优化。

阻抗匹配方法主要有阻抗补偿网络法和调节变量法。阻抗补偿网络类型主要包括SPS阻抗补偿网络、LC阻抗补偿网络、T型、π型阻抗补偿网络、LCC型阻抗补偿网络、LCL型补偿网络、LCL和 CL混合型补偿网络、LCC-C型补偿网络和DC-DC型补偿网络等。调节变量法主要有调节系统工作频率法和调节开关器件的占空比法。以上方法都可以提升线圈的有效偏移距离，然而以上方法抗偏移能力有限，很难胜任互感波动较大时的情况。

线圈本体结构设计与优化方法是解决线圈偏移时互感变化的一个有效方法。目前线圈本体结构设计与优化方法主要有：线圈自身结构设计与优化方法和线圈组合结构设计与优化方法。

在线圈自身结构设计与优化方面：韩国高等科学技术学院的Chun T. Rim等学者相继研制了E型、U型、W型、I型和S型磁心的长导轨型线圈结构。上述线圈结构提升了线圈的偏移距离，然而该接收线圈只能覆盖长导轨线圈（发射线圈）的一部分，不可避免地降低了接收线圈和发射线圈之间的耦合系数，导致系统效率降低。

新西兰奥克兰大学的J. T. Boys等学者提出了双极性矩形平面线圈结构（Double D, DD），提高了线圈之间的耦合系数，且DD线圈结构在Y轴方向有较好的抗偏移能力，然而该结构在X轴方向的抗偏移能力较差。

奥克兰大学M. Budhia等学者在DD线圈的基础上增加一个正交Q线圈，从而形成了DDQ线圈，弥补了DD线圈的不足。重庆大学孙跃等学者在DD线圈的基础上提出一种DLDD（double layer double D）型线圈结构，进一步提升了系统抗偏移能力。有文献基于一种不对称线圈结构，通过优化发射线圈和接收线圈的直径和匝数，提升了系统的抗偏移能力。实验表明：当偏移距离在10cm之内时，线圈的互感基本保持不变。

在线圈组合结构设计与优化方面，H. R. Ahn等学者使用多个接收线圈，提高了线圈偏移时的传输效率。J. P. W. Chow等学者提出了一种T型接收线圈结构，该接收线圈结构由两个互相垂直的线圈构成，该结构可以有效提升角度的偏移能力。然而T型线圈结构在X轴方向偏移能力不强。为此，S. Y. Choi等学者提出了一种双接收线圈结构，该结构在一定程度上增加了X轴方向的偏移距离。

哈尔滨工业大学宋凯和朱春波等学者研究一种基于多发射线圈并联方式的无线供电系统，与单收发线圈结构相比，功率提升了25%，效率提升了7%。天津大学张镇等学者提出了一种空心多发射线圈结构，当接收线圈在发射矩阵上移动时，它们之间磁场分布基本均匀，系统效率基本不变。Chris Mi等学者研究了一种六个空心发射线圈对单个接收线圈结构，实验结果表明：当系统运动方向发生偏移时，输出功率的波动为±7.5%。

西南交通大学麦瑞坤等学者提出了一种在发射线圈上加入一个线圈的组合结构，偏移距离在发射线圈直径的40%范围内，该结构的互感变化率仅为2.8%。然而偏移距离在发射线圈直径的44.4%范围内时，该结构的互感变化率增加到了6.4%。

综观现有文献，当偏移距离在发射线圈直径或边长的一半范围内变化时，互感波动率较大的问题仍然没有解决。

湖南大学电气与信息工程学院等单位的研究人员提出了一种多接收线圈正反串联结构来减小沿运动方向的互感波动率。该接收线圈结构由三个接收线圈串联而成，当线圈偏移时，其中一个接收线圈与发射线圈之间的互感会增加，另外两个接收线圈与发射线圈之间的互感会减小。由于以上特点，相比传统的线圈结构，该结构的互感波动率很小。另外提出了一种互感计算方法和互感优化方法，通过优化各线圈参数，进一步减小了互感波动率。

图1a-b

图1c

研究人员最后通过仿真和实验验证了所提结构与方法的正确性。结果显示，线圈间的偏移距离在发射线圈边长一半范围内变化时，线圈间互感基本不变。该结构非常适合于电动汽车或AGV小车的动态无线电能传输系统，可以极大简化其动态无线电能传输系统的恒功率或恒流控制策略。

研究人员指出，本次只研究了该线圈结构在运动方向的水平偏移对互感的影响，未来需研究侧向水平偏移和运动方向的水平偏移同时变化时，如何保证线圈互感也基本恒定。

本文编自2021年第24期《电工技术学报》，论文标题为“动态无线电能传输系统多接收线圈正反串联结构的互感计算与优化”，作者为李中启、李上游 等。