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文章结构•历史和背景•IPT系统的构成和原理•IPT系统的应用工业化前的IPT系统从安培和法拉第时代，无线传输电能便是人们的目标。给移动列车的实验没有成功，而小功率信号却可以传输。于是乎便给无线电能传输蒙上一层神秘色彩，认为通过耦合进行长距离几乎是不可能的。信号可以传输，电能不可以这种分类持续了100多年。从信号的角度来看，有着巨大的进步，但从电能角度来看，整个19世纪止步不前。最先真正进行尝试是Hutin和Le-Blanc，他们在1894年提出用大约3KHz的交流电机给电动汽车供电。1972年，Otto提出了一个感应的动力车。轨道有两个圆截面的铜导体构成，埋入地下约20cm。每根导体铜2000A电流，方向相反。接收侧串联谐振，整流后直接与直流电动机相联。整个系统没有控制器。1974年这个项目便被抛弃了，但是他的确建立了电能与移动物体间的耦合。20世纪70年代末，对电动车的供电重新引起了人们的兴趣。由PATH组织的项目在整个80年代十分活跃，它们研发了路面供电汽车，效率可以达到60%。气隙可以变化，当供电时，气隙是50-100mm，不供电时，气隙是150-200mm。电能的控制是通过对接收侧进行容性解耦，因此发电机侧相当于加了一个很大的无功负载。这个项目后来也被抛弃了。1986年，Kelly和Qwens提出了给飞机的娱乐系统供电。系统没有控制器。将导线放在地毯下面，由一电源供电，每个座椅下面有个接收线圈，能够为乘客提供8w的电能。提供给乘客的电能由稳压二极管调节。这样的话，发电机工作在横负载状态下，但是效率很低。优点是可以直接将椅子搬出去，变成货机，而不必担心插头或插座会损坏。时间大大减少。1990年，Turner和Roth继续这一工作，他们在并联调谐的接收线圈加了控制器。这样可以调节接收侧的无功负载来维持恒压。但是在轻载状态下，有很大的无功负载。1991年，Boys和Green制造了一个IPT系统，它可以用来处理金属和其他应用。这一专利构成了过去的20年来IPT系统的基础。因为它第一次系统地阐述了IPT系统。整个系统包括谐振电源，并联调谐电容器，一系列并联调谐接收线圈，每个接收线圈包括都有一个解耦控制器。系统工作在自振频率，并且随着温度和折算到一次侧的无功负载变化而变化。IPT系统必不可少的要素•有一个超低频（3.0-30KHz）或低频（30-300KHz）电源来给轨道供电。•轨道自身能进行频率补偿，建立磁场。•接收系统能够通过磁场接收电能。•控制直流输出电压的控制器。IPT系统的框图工作原理：电源从电网中获得电能来激励原边线圈或轨道，接收线圈与原边线圈磁性耦合。其工作原理与变压器想似，尽管耦合的磁场非常少。IPT系统二次侧IPT系统的接收侧的性能主要由两个参数来决定：开路电压和短路电流。忽略电阻，那么未补偿情况，接收线圈的视在功率ocVscI1MIjVoc2121LMIjwLjwMIIsc2221LMwIIVSscocu接收侧获得的有功功率为当时，有功功率取得最大值未补偿情况下，最大功率只是的一半，显然并不充分。为了提高可利用的功率，采用补偿电容，使它谐振在轨道频率或者附近。通常补偿电容直接与接收线圈串联谐振或并联谐振。无论采用哪种谐振，其输出的有功功率都将提高2Q倍。以串联谐振为例：RLwRIMwRLwRVPoc22222122222222wLR222222122222122maxuSLMwIwLLwIMwPuSmax221222122212222PQSQLIwMQLIwMRwLRIMwRVPuocout因此，提高输出功率有4种方法：1.提高品质因数Q。根据公式可以看出，选择较大的Q值能提高输出功率。但是，而接收线圈的视在功率是有限的，因此Q值也受到限制。同时如果Q过大，器件的容差和老化会影响功率传输和灵敏性，因此Q的通常不超过10.2.增加频率。3.增加轨道的电流的幅值。4.优化接收线圈的磁设计。22221QPQPSoutoutout二次侧折算到一次侧的阻抗为串联谐振：并联谐振2222ZMwZL2222222222LQwMLwMRwLRMwZRwLQRZL22222222222222222222)()()()11()11(111LjwMLQwMjQQLwMRwLjQQRMwZjQQRjQQjRjQRjwLRjQRjwLjwRCRjwLjwCRjwCRjwLZwRCwLRQL电源的要求•输入端有整流和滤波系统•全桥（或其他）逆变部分•隔离变压器•轨道有补偿电容器•轨道电流控制器电源可以是固定频率，也可以是变频；轨道既可以串联谐振，也可以并联谐振。串联谐振更吸引人，因为理论上他没有无功负载。我们可以让电路工作在谐振状态附近，变化全桥逆变器的输出电压来控制轨道上的电流，从而维持电流为恒定值。如果轨道上的无功负载过大，控制将会失去作用。定频运转还是变频运转，这个问题很难抉择。一个充电板与另一个耦合系统中，如果有许多变参数，变频运转有很大的优势。因为频率的少量变化可以调节无功负载，使得效率更高。但是系统不能自由的变频，否则IPT系统会分叉，大量的功率无法传输。但是定频可以很容易的实现更好的效果。在单轨系统中，我们无法调频来满足大量接受侧的要求，但是我们可以在接受侧加控制器，从而分叉的几率将会减少。因为当轻载是，接受侧的Q很低或者接受侧完全关断，在这一过程中电源侧的无功负载维持恒定。现在的IGBT和MOSFET管，其恢复电量可忽略，使得全桥可以很容易的在高达50KHz的频率情况下变换无功负载。这使得固定频率成为了大多数IPT电源的选择。电源有一个线性滤波器和6个快恢复二极管组成的三相整流器，他们可以减少EMI的产生。电源的频率非常高，通常为20KHz，因此滤波电容将会很小，约每KW2uF。电容小意味着电源可以直接启动，不用担心浪涌电流，逆变器中的故障电流与很小，如此，器件的故障对其他部分的损害也非常小。逆变电路时传统的逆变电路，接着用一个隔离变压器来驱动轨道。逆变电路和变压器的原边之间还包括漏感，如果需要的话，还包括电感和一系列电容。二次侧也有一个LCL阻抗变换网络，这样全桥的恒定电压也会产生一个恒定的无谐波的电流，电流可通过改变占空比来调节。解耦控制器一个典型的IPT系统，原边由细长的电线构成的回路，并串联一些电容进行补偿。电源和轨道需要给许多独立负载进行供电，这些耦合的负载分布在轨道旁，每个接收线圈谐振在电源的频率。谐振电路的输出电压经过整流和调节来保证直流输出的电压和功率适合负载。但是如何能够保证所有的单元完全独立控制呢？解决办法就是在接收侧加一个解耦控制器，它既能调节功率，又可以控制折算到原边的阻抗值。开关S用来做解耦pickup，它是通过完全短路接收线圈来实现的。在这种情况下，折算到原边的阻抗只有很小无功负载。如果我们假设接收侧和轨道的相对位置保持不变的话，那么折算的无功负载将会保持不变。而无功负载很小只会出现在接收侧移除的情况。因此，对于原边电路来说，解耦开关的作用就相当于使得接收测不出现。因此，如果所有的轻载线圈都被解耦，分叉问题将会被解决。另一方面，解耦开关可以充当控制器。每个控制器的输出都是电容上的直流电压，那么简单的控制策略便是，当输出电压过高时，解耦电路；输出电压过低时，重新耦合。一个小的滞后环节可以用来设定控制频率到100Hz，亦或是，用空间状态平均法来分析电路的开关(20-30KH)，通过改变占空比来控制输出电压。应用一：AGV在大多数的系统中，接收侧放置在移动单元上，输出功率经过转换来驱动电机沿着轨道移动。为了节约成本和保证轨道的长度，通常轨道是木有磁性材料，接收线圈有磁性材料来提高耦合和功率。在工业系统中，通常采用E形接收线圈，或U形的。随着3维有限元分析的模型包的应用，人们便能够研究接收侧磁设计，使得新型的，改进的磁结构得意探究。人们还提出了适用于轨道系统的非对称的磁结构。S型的接收线圈比E型和U型的传输能力更强，但是并没有被工业应用，因为轨道必须作很大的调整来适应它。AGV接收侧的磁设计还要考虑自由移动。在商业应用当中，人们通常采用双极性的轨道，因为它本身构成回路，限制辐射。分别优化平面接收侧的设计和线圈的排布，来获取原边线圈磁通的垂直分量或水平分量。对于一个单相双极性轨道系统，当接收侧与轨道之间有侧向移动时，功率分布图上将出现功率零点。对于垂直接收侧，功率零点出现在导体的上面，最大值出现在导体的中心。水平棒形接收线圈，功率零点在轨道的中心，最大值在导体的正上方。在实际当中，这两种都对位置偏差十分敏感。在过去的十几年里，人们一直追求如何提高自由移动。最近，人们采用多相轨道结构来弥补位置偏差。缺点就是成本高，电源和安装复杂。但是，电车上的接收侧却相对简单。如果系统设计的好的话，传输功率将提高，侧移容差也会提高。在众多的轨道结构拓扑中，单相系统最简单，多相最有前途，他可以在较大区间内维持恒定的功率传输。它提高了轨道和接收侧的耦合，提高了侧移容差。与此同时，接收侧的磁结构也在研究。最有前途的就是两线圈的正交接收器。这种线圈既可以耦合水平磁通，又可以耦合垂直磁通。这样，接收侧的容差和性能都将提高。正交接收侧的控制器有所不同，因为两个绕组被放置在接收器上，他们需要分别进行调谐，整流。然后汇聚在一起，在进行控制。