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無線電能傳輸可以避免用電設(shè)備直接接觸電源，具有安全、可靠和經(jīng)濟等諸多優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)的有線電能傳輸，避免了外露通電接點和頻繁插拔的缺點，保障了電能傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。因此無線電能傳輸?shù)难芯烤哂袕V闊的發(fā)展前景。

常用的無線電能傳輸技術(shù)有磁耦合感應(yīng)式和磁耦合諧振式等。磁耦合感應(yīng)式無線電能傳輸（Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer, MCI-WPT）方式，能量傳輸效率低，傳輸距離為mm級，但電路設(shè)計簡單，一般用于低成本微功率場合。磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically- Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR- WPT）方式，能量傳輸功率可達幾kW，具有傳輸功率大、傳輸效率高、傳輸距離遠等特點。因此，MCR-WPT技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車、醫(yī)療裝置、機器人充電以及軌道交通的供能等領(lǐng)域。

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，機器人正在各領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。電力行業(yè)的發(fā)展也不例外，電力巡檢機器人具有安全、可靠和精準(zhǔn)等優(yōu)點，已日漸取代人工巡檢的方式。然而機器人現(xiàn)有的充電方式都是接觸式充電，其存在電火花、漏電和線路老化等弊端，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運行。將MCR-WPT技術(shù)應(yīng)用于電力巡檢機器人充電，可以有效解決此類弊端，具有重要的意義，也是目前的研究熱點。

由于機器人需要獨立工作，其供電系統(tǒng)一般采用蓄電池或鋰電池。由典型的蓄電池或鋰電池充電曲線可知，充電過程可以分為恒流充電（Constant Current, CC）和恒壓充電（Constant Voltage, CV）兩個階段。將恒流恒壓充電與無線電能傳輸技術(shù)相結(jié)合是實現(xiàn)電池安全、可靠充電的保障。

目前基于MCR-WPT的恒流恒壓充電的實現(xiàn)方法大致可分為兩類：一類為動態(tài)調(diào)節(jié)法；另一類為變靜態(tài)補償法。

動態(tài)調(diào)節(jié)法主要包括在原邊或副邊加入直流-直流（DC-DC）變換電路、移相控制、變頻控制等方式。這些控制方式雖然控制精度高、調(diào)節(jié)范圍廣，且大多數(shù)不占用充電設(shè)備有限空間，然而它們都需要原、副邊之間通信，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度和成本，且進行跳頻控制時，頻率的變化會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有時易引起頻率分裂現(xiàn)象。

變靜態(tài)補償法主要包含混合補償?shù)确绞?。具有CC或CV輸出特性的不同無源諧振網(wǎng)絡(luò)進行組合，并使用開關(guān)進行狀態(tài)切換以此實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流恒壓輸出。但是相關(guān)研究中系統(tǒng)所需添加的無源元件和開關(guān)數(shù)量眾多，不但增加了系統(tǒng)成本，而且諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都是依靠經(jīng)驗選值，沒有考慮系統(tǒng)的負(fù)載特性，很難實現(xiàn)零相角（Zero Phase Angle, ZPA）特性，使得系統(tǒng)輸出效率普遍偏低。

為解決傳統(tǒng)變靜態(tài)補償設(shè)計方法中無源元件和開關(guān)數(shù)量過多、參數(shù)選擇困難等問題，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院、北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部自動化學(xué)院的研究人員郭星、劉利強、齊詠生、高學(xué)金、李永亭，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出一種基于LCL-LCL/S混合自切換諧振式無線充電系統(tǒng)，無需原、副邊通信和增加任何無源元件，僅通過LCL結(jié)構(gòu)的自投切操作更改拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)恒流恒壓的切換。

圖1 無線充電系統(tǒng)實驗平臺

他們首先依靠T型網(wǎng)絡(luò)分析恒流或恒壓輸出與輸入阻抗呈純阻性的關(guān)系；然后，引入混合型補償網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，分析實現(xiàn)系統(tǒng)輸入電流和電壓之間零相角（ZPA）與恒流或恒壓輸出特性的參數(shù)配置條件；接著，依據(jù)蓄電池充電曲線特征、諧振電流閾值、電壓跳變閾值和耦合系數(shù)變化約束，進一步提出一種適用于混合諧振式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計方法，在避免諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)經(jīng)驗選值的局限性導(dǎo)致參數(shù)不確定性問題的同時，也為參數(shù)選取提供了理論依據(jù)；最后，搭建實驗平臺驗證該方案的可行性與有效性。

實驗結(jié)果表明，優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的無線充電系統(tǒng)具有較好的恒流恒壓輸出特性，系統(tǒng)最大傳輸效率為81%，完全滿足恒流恒壓無線充電需求，具有較好的工程應(yīng)用價值。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于LCL-LCL/S混合自切換諧振式無線充電系統(tǒng)”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金的支持。