无线电能传输技术具有无接触电能传输和“一对多”供电的优点，不仅具有灵活、安全、高效的特点，还具有多用电端口兼容性好的优势。该技术为物联网的传感器终端供电提供解决方案。相较于基本补偿网络结构，由于高阶补偿网络可以显著提升WPT系统的传输特性，因此针对WPT系统高阶补偿网络参数进行恒压设计并分析系统在频率振荡或线圈偏移情况下的传输特性，成为双线圈无线电能传输系统发展难点。

石河子大学无线电能传输团队基于变压器T网络模型对补偿网络为S-S型、SP-S型、SP-PS型的双线圈WPT系统展开分析，仅通过谐振网络设计使得系统既具有可变的恒压增益又可保持良好的偏移特性。最终通过实物实验验证了所提系统的恒压输出特性、动态偏移下传输稳定性及其参数设计方法的正确性和有效性。

研究背景

为解决实际用电设备所需的恒压输出特性，现有文献在模型建立和补偿网络参数分析方面进行了相关研究，模型建立方面，多数文献采用耦合电感模型对无线电能系统传输特性进行分析，其在分析高阶补偿网络参数时较为复杂，补偿网络参数方面，多数文献通过增加控制策略或补偿网络结束来提升WPT系统传输线特性且欠缺频率振荡、线圈偏移对系统传输性能稳定性的影响。

论文所解决的问题及意义

本文立足于双线圈WPT系统在传感器网络节点供能时所遇到的接收侧线圈偏移、频率振荡而引起的恒压稳定性差、系统传输效率低等问题，提出了一套具有可变增益恒压特性的双线圈无线电能传输系统补偿网络参数确定方法与传输特性分析新思路，为智能感知终端的电能无线传输技术奠定研究基础。

论文方法及创新点

本文基于变压器T网络模型设计具有可变增益恒压特性的双线圈WPT系统的S-S型、SP-S型、SP-PS型补偿网络，通过创新性的提出等效耦合系数kr与等效变比n1进而为实现恒压型双线圈WPT系统的补偿网络设计提出一种新方法。

图1

(1) A1区域内（n1=0附近），副边侧谐振电容CL趋近于∞。

(2) A2区域内（n1=Mr0/Lr1），由式（9）可看出，具有恒压特性的谐振元件参数设计不成立，且原边侧并联元件电抗值X2=0（发射线圈短接），因此不需考虑此时电压增益稳定性情况。

(3) SP-S型WPT系统电压增益随着等效变比n1的增加而先增加后减少，含并联元件CL的WPT系统输出电压高于无CL状态下，因此可以得出含谐振元件CL的WPT系统具有更好的抗线圈偏移能力。

图2

(1) A3区域内（kr=0附近），SP-PS型拓扑结构中X3≈0，并联补偿元件CL取值接近于∞，此时双线圈WPT系统补偿网络选型困难，不予分析；

(2) SP-PS型WPT系统电压增益随着等效变比n1或等效耦合系数kr的增加而表现出先增加后减少的趋势。且由相关表达式可以得出当n1=0或kr=0时电压增益稳定性保持最佳，含并联元件CL的WPT系统输出电压高于无CL状态下，因此可以得出含谐振元件CL的WPT系统具有更好的抗线圈偏移能力。

2. 双线圈WPT系统传输效率随等效变比n1与等效耦合系数kr的变化趋势

图3

(1) 双线圈WPT系统的传输效率的变化趋势与分析情况一致;

(2) 有无补偿元件CL的系统传输效率表达式不相同，但变化曲线基本相同。

3. 实验验证

首先利用信号发生器（型号：DG1022U）输出高频交流信号，经功率放大器（型号：ATA-1200）进行信号放大，并将放大的高频交流电作为磁耦合系统发射侧的激励源。其次利用谐振电容和谐振电感组成原、副边侧补偿网络，搭建合适的整流滤波电路对负载电阻进行供电。具体实验图如下所示。

图4

结论

搭建双线圈WPT系统实验平台，对不同等效参数的双线圈WPT系统补偿结构进行实验，实验结果与理论分析结论一致，验证理论分析的正确性和可行性。

1）谐振网络参数验证。建立双线圈 WPT磁耦合系统的变压器T网络模型，定义等效变比n1与等效耦合系数kr，得到一套具有可变增益恒压特性的S-S，SP-S与SP-PS型双线圈WPT系统补偿网络参数设计新方法。

2）传输特性分析。考虑寄生电阻对电压增益的直接影响，依据新定义等效参数得出线圈偏移或频率振荡下双线圈WPT系统的电压增益表达式以及传输效率表达式，可以发现在互感M减少或电源频率增加时并联谐振元件CL可以提高系统的抗偏移能力。

其次发生线圈偏移时系统电压增益稳定性将随着等效变比n1或等效耦合系数kr的增加而表现出先增强后减弱再增强最后减弱（或先增强后减弱）的趋势；稳态双线圈WPT系统的传输效率会随着等效变比n12的增加而呈现出不断减少的趋势；会随着等效耦合系数kr2的增加，无CL的WPT系统表现出先增加后减少的趋势，含CL的WPT系统的传输效率会持续减少。

其中依据电压增益表达式，得出线圈偏移时有无谐振元件CL的WPT系统的最佳等效参数表达式，为后续补偿网络的优化设计提供理论依据。

团队介绍

龚立娇教授牵头新疆维吾尔自治区天山英才技术创新团队-零碳能源与碳零排技术创新团队，现有教师10人，硕博研究生近90人，团队依托石河子大学“农业工程”部省共建学科（教育部 新疆生产建设兵团）、机械工程学科与先进储能材料与技术兵团重点实验室，主要致力于能量收集、无线电能传输技术、太阳能、风能等零碳电力技术以及储能材料（高性能多孔炭用于锂离子电池电极改性）与储能技术、高效低碳节能感应熔覆集成技术、储能与可再生能源功率变换与电网接入等领域开展研究和技术攻关工作。

本工作成果发表在2024年第5期《电工技术学报》，论文标题为“具有可变增益恒压特性的双线圈无线电能传输系统补偿网络设计与分析”。本课题得到国家自然科学基金地区科学基金项目的支持。