原创 中国矿业大学团队提出一种混合拓扑结构，可提升无线电能传输系统的抗偏移能力
在磁耦合谐振式无线电能传输中，由于充电线圈之间位置的不确定性，会导致线圈之间的互感等参数发生剧烈变换，引起系数输出的不稳定。为解决此问题中国矿业大学团队提出了一种具有强抗偏移性的线圈结构和混合式补偿拓扑结构，并给出了其参数优化策略，提高了系统各方向的抗偏移能力。
研究背景
在电动汽车无线充电系统中，停车不准导致的位置偏移是引起系统能效失衡的主要问题。这是由于线圈间的位置偏移会导致线圈互感等参数发生剧烈变化，从而影响系统输出电压与效率剧烈波动，导致系统不能正常工作甚至损坏。因此，对电动汽车无线充电系统的抗偏移性研究至关重要。
论文所解决的问题及意义
针对系统的偏移问题，本文提出并研究了一种基于四矩形正交（Quadruple Rectangle Quadrature Pad，QRQP）磁耦合机构的混合式拓扑参数优化设计，可保证负载大范围变化且线圈在平面各方向或垂直方向偏移时，系统输出电压波动的有效抑制。同时，当接收线圈意外移除时，该混合拓扑还可限制原边输入电流的急剧增加，以有效保障系统的安全运行。通过对线圈和补偿拓扑结构的设计优化，为提升系统抗偏移能力提供新思路。
论文方法及创新点
本文提出一种新型四矩形正交（QRQP）线圈结构，如图1所示，相较于传统的4-DQ线圈有着较好的抗偏移能力，为进一步提升系统的抗偏移性设计出新型混合式补偿拓扑结构，如图2所示，通过创新性的整体结构可使系统实现各方向的偏移以及负载变化下的稳定输出。
图1 QRQP线圈结构图
图2 新型混合式补偿拓扑基本原理图
为了验证本文所提混合式补偿拓扑及其参数优化方法的有效性，结合图2所给出的系统电路结构与QRQP线圈结构搭建了1 kW的实验样机对优化后混合拓扑进行性能验证，如图3所示。负载RL在20 Ω至100 Ω范围内变化时，负载线圈分别沿X轴、Y轴、Z轴与X和Y成45度角下变化时，系统输出电压与效率如图4所示。
图3 实验装置图
图4 沿各方向偏移同时RL变化时输出电压与效率
结论
本文提出了一种基于QRQP线圈结构的混合拓扑结构来提升系统的抗偏移性。该混合拓扑由S-LCC、LCC-S、S-S与LCC-LCC拓扑结构组成，所提混合拓扑可以提升平面偏移与垂直偏移下的抗偏移性，且当负载断开时该混合拓扑可以限制原边电流突变，避免系统损坏。
此外基于QRQP线圈的偏移特性对该混合拓扑的参数提出了设计优化方法，并设计了1 kW系统对其进行验证。实验表明，在选取合适的Lf1、K1与K2下，系统负载变化5倍且在X轴偏移33.6%、Y轴偏移25%与45度角偏移47.48%下输出电压波动始终小于5%，在Z轴偏移56%系统输出电压波动小于8%，且当RL>20 Ω时系统输出电压波动与负载无关。
团队介绍
自2006年起，无线电能传输与电工新技术研究所带头人夏晨阳教授带领其团队一直专注于从事无线电能传输技术方面的相关研究与产业化推广工作，建设有江苏省煤矿电气与自动化工程实验室，开展了复杂环境下及极端条件下的无线电能传输技术研究工作。
并以机理研究及基本原理实现为主的基础性研究和技术攻关，在系统新型工作模式构建、电磁路机构设计、建模与控制、稳定性研究等方面形成了具有创新性的理论与技术体系；同时在煤矿、海洋、军用设备、电动汽车等领域开展了相关技术开发工作，掌握了无线电能传输技术的基础理论与技术实现的核心技术，建立了具有自主知识产权的技术体系。
刘旭，博/硕士生导师，中国矿业大学优秀青年骨干教师，电工理论与新技术系副主任，无线电能传输与电工理论新技术研究所副所长。主要研究方向为无线电能传输技术、储能科学与技术等。
先后主持了国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年基金1项、中国博士后科学基金面上项目1项、中央高校基本科研业务经费项目1项、校科研启动项目1项，国家电网、国铁集团、中兴等企业横向项目10余项。参与了国家重点研发计划项目1项、教育部联合基金项目1项、国家自然科学基金面上项目3项、国家自然科学基金青年基金2项、江苏省自然科学基金项目2项、企业横向项目2项。
近年来发表高水平学术论文30余篇，申请国家发明专利10余项。现为IEEE旗下多家SCI期刊审稿专家。
本工作成果发表在2025年第12期《电工技术学报》，论文标题为“基于四矩形正交线圈的无线电能传输系统混合式补偿拓扑优化及其抗偏移性“。本课题为国家自然科学基金资助项目。