1无线电能传输技术（WPT）基本形式
（1）感应式 WPT。该技术可分为两种实现路径：①基于电磁感应原理，将发射线圈和接收线圈置于近距离，当发射线圈通过电流时，所产生的磁通在接收线圈中感应出交变电动势，从而将电能耦合传输到负载；②基于电场耦合原理，通过两个可分离电容极板作为发射天线，利用极板的交变电场传输电能。
（2）谐振式 WPT。该技术同样可通过两种技术路径实现：①基于磁谐振原理，在工作频率的近场范围内，使发射线圈与接收线圈均工作于自谐振或谐振状态，实现磁共振式的中距离无线电能传输；②电场谐振原理，使用两个配置有电感的可分离电容极板工作于谐振状态，通过电场谐振实现电能的无线传输。
（3）微波式 WPT。该技术的基本原理是将电能转换成微波形式，使用天线向空间发射，接收天线接收微波后转换为电能给负载供电，实现远距离的无线电能传输。与该技术原理相同的 WPT 方式还有基于射频技术的 WPT、基于激光的 WPT 及基于超声波的 WPT 等。以上三种形式的 WPT 技术的性能各异，感应式WPT 系统的传输功率大，最大功率可达几百 kW 以上， 且效率较高，最大效率达 90% 以上。但传输的距离较短，一般在几 cm 以下。谐振式 WPT 系统现阶段电能传输距离从十几 cm 到几 m，传输功率从几十 W 到几 kW，效率从 40% 到 90% 不等。微波式 WPT 系统的距离较远，为 km 级，传输功率从 mW 级到 MW 级不等， 但效率极低，一般低于 10%。目前最具有前景且研究成果涌现较多的是感应式 WPT 和谐振式 WPT。本文使用无线输电技术给某家用电器产品进行无线供电，无线供电距离 8mm。同时，综合考虑产品的能效要求和结构尺寸，本文采用高效的感应式无线电能传输技术作为解决方案。
2设计目标
2.1WPT 系统电路架构
单纯的线圈不适用于 WPT 系统传输，需要调谐电路来调节阻抗以对线圈的感量进行补偿。根据调谐电容在原副边的串并联关系，有四种基本调谐补偿结构， 分别是 S/S、P/P、S/P、P/S。其中，S 表示串联电容，P 表示并联电容。无线能量传输系统的损耗可大致分为两类：一类是不随耦合系数变化的固定损耗；另一类是随耦合系数变化的可变损耗，可变损耗占总损耗的比例越大，耦合系数对能量传输效率的影响越大。S/S 补偿拓扑的补偿元件数目最少，而且不需要补偿电感，在各种补偿拓扑中，其能量传输效率最高，可变损耗占总损耗的比例最大，因此本文采用 S/S 补偿拓扑的感应式 WPT 系统。
2.2产品技术设计指标
根据产品尺寸结构，供电距离 8mm，系统输入电压固定直流 28V，输出电流不小于 1A，系统设计额定输出功率 30W。同时，该产品需控制 WPT 系统的成本，因此， 磁材料的品质和绕线的数量都需要考虑成本因素。为达到输出功率 30 Ｗ 的要求，M 值对应要达到 35uH；输出功率 35 Ｗ对应的 M 值为 31uH。因此，以 M 值范围 31～35uH 作为数值仿真方案的模型优化目标。
3数值仿真方案
3.1WPT 系统电磁仿真技术路径
WPT 系统线圈设计方案的总体思路是，使用电磁仿真技术，对 WPT 发射线圈和接收线圈之间的耦合磁场进行数值计算，获得线圈间的磁密分布、发射和接受盘的自感及互感数据。再结合场路耦合仿真方法，将发射和接收盘的电磁模型结果联结到 WPT 电路模型中，分析无线输电系统的集总参数数据，进而验证 WPT 系统的输出电压、输出电流、输出功率及效率数据。结合产品设计目标和产品结构尺寸，给定模型关键参数的动态范围，然后使用场路耦合仿真技术，可对各参数范围内的系统效率或者功率进行参数寻优。此种方案最直观简便，但是对计算资源要求较高，且数值求解时间较长。为兼顾资源需求量和计算时长，可以使用场路耦合仿真方法，定性分析某参数对系统效率或接收功率的影响规律，梳理设计目标与模型参数之间的敏感性， 进而研究并指导线圈设计方案。WPT 系统线圈设计的主要参数包括：线圈外径、线圈匝数、发射与接收盘之间距离、线径、工作频率等。
3.2线圈模型基本参数
W PT 常用线圈类型包括圆形、矩形、DD 形（日字形）等形状。由于本产品在结构上有收发线圈的同轴旋转机构，采用圆形线圈结构。单纯的绕线盘难以实现 WPT 系统设计目标，通常利用高磁导率材料来引导磁力线的走向分布，加强发射和接收线圈直接的耦合效率。本系统使用铁氧体磁盘（PC40 材质）紧贴绕线布置，磁盘外径最大值为 68mm（产品尺寸限制），中心开孔直径最小值为 6mm。增大磁盘的外径，有利于提升绕线匝 数，提升磁耦合能力。
3.3仿真分析与设计结果
在 WPT 系统的电磁仿真计算中，考虑高频效应的影响，包括磁盘中高频电磁场的趋肤效应、绕线截面中高频电流的邻近效应。采用 ANSYS-Maxwell 低频电磁场仿真软件进行线圈的电磁耦合分析。
（1）单层绕线仿真示例
线圈最大直径为 68mm，内孔尺寸为 6mm。先使用该尺寸对线圈绕线进行满盘绕制，分析单层线盘是否满足需求，并以此模型作为场路耦合仿真设计的示例。产品负载电池充电电流不低于 1A，按照 2A的载流量设计额度，绕线（铜线）的截面积需不小于0.4mm2，对应常见利兹线规格为 0.08mm×100 线径约
1mm（丝包线）。根据线盘尺寸和线径可计算出匝数最大为 24 匝（考虑进出线及丝包线的粘贴可靠性，绕线最内侧和最外侧与磁盘边沿需留一定距离）。根据输出功率计算公式，频率在 130kHz 有最大功率输出， 先使用该频率分析负载功率和效率。单层绕线的线圈，其互感值、系统的输出电压值均不符合设计要求。需要改进磁耦合机构，即变化线圈参数，增大 M 值。由于本产品限定了无线传输距离和线圈外径，改进策略针对匝数进行设计分析。
（2）匝数敏感性仿真分析与设计
基于上节已配置的调谐电路参数和电磁仿真模型，固定线盘位置、网格设置和 WPT 系统电路参数， 进行收发线盘匝数与的敏感度分析，梳理收发线圈的匝数逐步增加，对应的 M 变化趋势，寻找满足系统设计目标的匝数配置。收发线圈交替增加匝数，以 4匝为步长。考虑实际电路实现中需留有一定的效率裕量，M 值取较大值更有利于满足设计目标，原副边匝数取 32和 28 的配置，以此参数输入模型，进行电磁仿真和场路耦合仿真，验证 WPT 系统是否符合产品设计要求。可得输出电压为 34V，输出功率为 38.5W，磁耦合效率为 98%，预估系统效率可达 88%。此匝数配置满足系统设计要求。
5结论
本文以无线电能传输系为研究对象，根据电磁设计结果，实施了硬件电路实现，实验测试结果与仿真分析具有较好的一致性，验证了该方法的正确性和有效性。电磁仿真方法可有效计算并预测线圈盘的磁场分布，并获得高精度的感量数据，可有效指导WPT系统的磁设计；场路耦合方法可在线圈盘仿真结果的基础上，有效预测 WPT 系统关键参数对系统设计目标的影响关系，即敏感度变化趋势，可有效指导系统设计；电磁仿真方法可有效提升基于 WPT 系统的开发效率，大幅减少以往试错方式导致的较长产品开发周期，节省研发成本，快速推动新技术在行业的落地应用。
参考文献
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