研究基本信息

该研究由福州大学电气工程与自动化学院的张益明（IEEE高级会员）、刘超、周明珠、毛兴奎等人完成，其中毛兴奎和刘超为通讯作者。该论文以信件（Letter）的形式发表于《IEEE Transactions on Industrial Electronics》（IEEE工业电子学汇刊）第71卷第4期，于2023年5月22日出版，当前版本日期为2023年10月27日。该研究受到国家自然科学基金项目（批准号：52107183）和福建省自然科学基金项目（批准号：2022j06011）的资助。

研究背景与目的

无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术作为一种无需金属直接接触的新型能量传输方式，因其自动化、安全、便捷等优点，以及在水下、矿井等特殊环境中的适用性，在学术界和工业界得到了广泛的研究与应用。在电动汽车无线充电系统中，磁耦合器（Magnetic Coupler, 即由发射线圈和接收线圈组成的耦合线圈）是核心部件。当前，该领域面临的一个关键技术挑战是互操作性（Interoperability）或兼容性问题。目前行业内主要采用四种传统线圈类型：单极线圈（Unipolar Coil）、沿两个垂直方向分布的双极线圈（Bipolar Coil）以及四极线圈（Quadrupolar Coil）。当这些不同类型的线圈完全对准时，彼此之间是解耦的，即不存在互感，这意味着如果发射端和接收端由不同制造商生产且采用了不同类型的线圈，它们将无法协同工作。然而，现有的磁耦合器互操作性研究未能有效解决单极、双极和四极线圈在同一位置完全兼容的问题，例如单极和双极线圈虽可在不同偏移位置实现互操作，但无法在同一位置实现，而针对三相耦合器的研究也未涉及其与四极线圈的互操作性。为了解决这一关键且亟待解决的问题，本研究提出了一种新型的非对称四极线圈（Asymmetric Quadrupolar Coil），旨在实现同一位置上与单极、双极及四极线圈的全面互操作，从而实现高效无线能量传输。

研究流程与方法

本研究首先提出了一种创新的非对称四极线圈结构。该结构通过对传统四极线圈（其相邻磁极的磁通方向交替变化）进行改造，反转其中一个磁极的电流方向，从而形成了非对称的磁场分布。理论设计上，这种独特的结构使其能够与四种传统线圈结构兼容。

为验证该设计的有效性，研究团队选择了所提出的非对称线圈作为发射线圈（Transmitter Coil, TX），并选取四种常用线圈——单极线圈、沿X方向和Y方向的双极线圈以及四极线圈——作为接收线圈（Receiver Coil, RX），构建了一套互操作性验证系统。所有线圈的长度均统一设定为300毫米，发射线圈匝数为15匝，接收线圈为10匝，传输气隙固定为75毫米。

研究工作主要分为以下几个步骤： 第一步，通过仿真和实验测量，系统性地研究了所提出的非对称四极发射线圈与四种不同接收线圈在不同偏移情况下的耦合系数（Coupling Coefficient）变化。由于单极和四极接收线圈在X和Y方向具有对称性，仅测试了单一方向的偏移性能；而对于双极线圈，则分别研究了其沿X方向和Y方向的偏移性能。 第二步，对系统进行拓扑结构选择和等效电路建模。为适应可能出现的弱耦合场景，研究选用了电感-电容-电容串联（LCC-S）拓扑结构。基于该拓扑，构建了包含发射线圈、接收线圈、补偿电感、补偿电容及等效负载电阻的等效电路模型。在此模型中，研究团队定义了各元件的电压、电流关系，推导了在谐振角频率（ω）运行下的系统输出功率和效率的数学表达式，为性能分析提供了理论工具。 第三步，为了进行对比验证，研究团队研制了一套实验样机，并将发射线圈分别设置为传统的对称四极线圈和所提出的非对称四极线圈，在相同的条件下进行实验比较。实验样机的详细参数在论文中以表格形式列出。 第四步，基于实验样机，测量并计算了在不同接收线圈类型和不同X轴偏移量下的直流-直流（DC-DC）效率和输出功率。对于传统的对称四极发射线圈，实验测量了其与单极、双极（X和Y方向）和四极接收线圈匹配时的性能。对于所提出的非对称四极发射线圈，则同样测量了其与这四种接收线圈匹配时的性能。最后，将所提出的线圈配合不同接收线圈时的实测效率进行了汇总对比。

主要研究结果

在耦合系数的研究中，仿真与实测结果均表明，当采用所提出的非对称四极线圈作为发射线圈时，三种接收线圈（单极、双极X方向、四极）在完全对齐的初始位置均能实现较大的耦合。在偏移性能方面，单极线圈和沿X方向的双极线圈即便在X方向偏移后，仍能保持较大的耦合系数，显示出较强的偏移容错能力。对于四极线圈和沿Y方向的双极线圈，其耦合系数随偏移量增加而下降，并在特定偏移点出现零耦合点，但超过该点后，耦合系数可回升至一个谷值点，其振幅仍足以实现高效电力传输。

在实验验证阶段，结果清晰地展示了两种发射线圈的性能差异。当使用传统对称四极线圈作为发射线圈时，面对单极接收线圈或沿Y方向的双极接收线圈，耦合作用非常微弱，以至于无法实现有效的功率传输；只有在面对沿X方向的双极接收线圈和传统的四极接收线圈时，才能在有限的错位范围内实现高效传输。相比之下，当使用所提出的非对称四极发射线圈时，情况得到了根本性改善。对于单极接收线圈和沿X方向的双极接收线圈，系统在很宽的偏移范围内都实现了高效功率传输。对于传统四极接收线圈和沿Y方向的双极接收线圈，虽然在非常宽的偏移范围内实现高效传输受到限制，但在一定偏移范围内依然能够实现高效传输，这证明了其兼容性。最终汇总的实测效率表以数据形式直观地证实了这一结论。

结论与价值

本研究成功设计并提出了一种新型的非对称四极线圈，该线圈能够在同一位置与单极、双极（X和Y方向）以及四极线圈实现互操作，有效解决了无线充电系统中不同类型线圈不兼容的关键难题。在完全对齐条件下，该线圈与四种传统线圈均能达到较大的耦合系数。存在错位时，其与单极和沿一个方向的双极线圈的耦合系数能保持在较高水平，表现出良好的容错性能。实验结果显示，所提出的非对称四极线圈配合四种传统线圈使用时，最大耦合系数超过0.10，最大直流-直流效率超过85%。通过与采用传统对称四极线圈的实验样机进行对比，充分验证了所提出的线圈在互操作性性能上的显著优越性。这项研究的科学价值在于提出了一种全新的线圈设计思路，通过非对称结构的巧妙设计，打破了传统线圈间只能同类匹配的限制，为磁耦合器设计理论提供了重要补充。其应用价值在于，该技术能够使不同厂家生产的、采用不同线圈类型的电动汽车无线充电桩和车辆接收端实现兼容，这对于推动电动汽车无线充电技术的标准化、产业化和广泛部署具有重要的实际意义。

研究亮点

本研究的主要亮点在于其极具创新性的解决方案——非对称四极线圈结构设计。该设计通过一个简单的物理结构变化（反转一个磁极的电流方向），一举实现了与四种主流线圈的互操作性，这在以往的学术研究中尚未见报道。这区别于需要通过复杂的电路切换或多套线圈组合才能实现互操作的传统方法，提供了一种更为简洁、高效且成本更低的集成方案。研究的另一大亮点在于其研究方法的系统性，不仅全面考察了所提线圈与四种不同类型线圈的匹配性能，还深入分析了在完全对齐和X、Y方向偏移等多种工况下的耦合系数、效率和输出功率，研究覆盖了全面的偏移情景。此外，通过研制样机并与传统线圈进行直接对比实验，使得研究结论更具说服力和实际工程参考价值。