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Quasi-three-phase phasor shielding for low-loss LCC-S wireless power transfer

本文介绍了一种用于 LCC-S 无线电能传输系统的准三相相量屏蔽技术，该技术通过联合调节接收端和屏蔽电容来扩大发射端与接收端之间的相位差，从而在保持有效磁场抑制的同时，减少屏蔽电流和线圈损耗，并提高整体效率。

原作者： Seongho Woo, Taewoo Kim, Bumjin Park, Jaehyoung Park, Yujun Shin

发布于 2026-09-30

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原作者： Seongho Woo, Taewoo Kim, Bumjin Park, Jaehyoung Park, Yujun Shin

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一个电力在空气中流动，从充电板跳跃到设备而无需任何导线的世界。这就是无线功率传输的承诺，这项技术依赖于看不见的磁场来传递能量。为了高效地实现这一目标，工程师们设计了特殊的电路，使能量能够集中在发送线圈和接收线圈之间。然而，就像灯泡会投下影子一样，这些磁场往往会溢出到预定路径之外。这种“泄漏”可能会干扰其他电子设备或引发安全担忧，因此设计者通常会在系统周围放置第三个线圈，即被称为“屏蔽器”的组件。这个屏蔽器就像一块磁性海绵，捕捉并抵消掉散逸的磁场。但问题在于：屏蔽器本身在执行任务时也会消耗能量，这降低了系统的整体效率。挑战一直在于如何找到一种既能阻止磁场泄漏，又不会在此过程中浪费过多功率的方法。

来自韩国的研究团队开发出一种新方法来解决这一特定问题。他们针对一种常见的无线充电设置进行了研究，并发现了一种调节系统的方法，使屏蔽器在增强磁场抵消能力的同时，减少从电源端抽取的电流。他们将这种方法称为“准三相相量屏蔽”（Quasi-Three-Phase Phasor Shielding），其核心在于对接收端和屏蔽线圈上的电气元件进行精细调整。他们并没有简单地增加一个屏蔽器并接受能量损失，而是发现通过微调电流的相位（即改变电流的时间差），可以减轻屏蔽器的负担。在测试中，这种调整使系统能够像以前一样有效地阻挡磁场泄漏，但产生的热量损耗显著降低。

研究人员首先检查了为什么标准的屏蔽方法效率低下。在典型的设置中，发送线圈、接收线圈和屏蔽线圈之间的磁连接会导致电流发生偏移，从而缩小了它们之间的时间间隔（相位差）。这种间隔的缩小迫使屏蔽器必须更加努力地工作，即抽取更多的电流来产生必要的抵消场。团队意识到，如果他们能重新拉大这个时间间隔，就能减少屏蔽器所需的电流。为此，他们调整了接收电路和屏蔽电路中的电容器——这种存储电能的组件。通过增大这些电容器的容量，他们改变了接收线圈的电相位，从而有效地拉大了发送端与接收端之间的时间差。

这一变化对整个系统产生了连锁反应。由于时间间隔变宽，由另外两个线圈在屏蔽线圈中感应出的电压随之减小。同时，研究人员增加了屏蔽电路本身的电阻。较小的驱动电压与较高的电阻相结合，意味着流经屏蔽线圈的电流大幅下降。在计算机模拟中，这种调整在保持强力抵消磁场的同时，减少了屏蔽线圈中的电流。结果显示，与未屏蔽系统相比，该系统阻挡了71.9%的磁场泄漏，这一数值略高于传统方法的70.0%。更重要的是，功率传输的整体效率得到了提升，从标准设置下的85.2%上升到了新配置下的86.3%。

为了证明这些发现不仅仅是理论上的，团队构建了一个物理原型并在实验室中进行了测试。他们使用了6.4欧姆的负载，并在83.77 kHz的频率下运行系统。当他们测量流经导线的实际电流时，结果与预测高度吻合。发送线圈与接收线圈之间的时间差从约85.6度增加到了97.2度。这一转变导致屏蔽线圈中的电流下降了约32.5%，这大幅减少了屏蔽器浪费的能量。尽管电流变小了，但屏蔽器依然保持有效。当研究人员测量不同距离处的磁场时，新方法始终比传统方法产生更低的磁场水平。例如，在250毫米处，磁场强度被降低至0.150微特斯拉，而标准屏蔽器为0.174微特斯拉。

效率的提升也在实际测试中得到了证实。系统的直流效率（衡量从源头到负载的功率传输效率）从使用传统屏蔽器的81.76%提升到了使用新方法的83.04%。这一进步表明，该系统不仅能更好地阻挡磁场，而且是以更少的内部摩擦来实现这一目标的。研究人员指出，在两种设置中，接收线圈携带的电流都保持在相似水平，这证明了向负载输送的功率并未受到影响。相反，损耗的减少完全来自于屏蔽器和发送线圈，因为在新的配置下，这两者的电流都变小了。

这项工作凸显了工程学中一个微妙而强大的原则：有时改进系统最好的方法不是增加功率或更大的组件，而是精细调节现有组件之间的关系。通过将发送线圈、接收线圈和屏蔽器视为一个单一的、相互关联的整体，而非独立的部件，研究人员找到了优化能量流的方法。他们所描述的“准三相”方法不需要为屏蔽器提供单独的电源，也不需要改变线圈的物理形状。它完全依赖于对电气相位和阻抗的调整。研究结果表明，未来的无线充电系统可以设计得既安全（保持低磁场水平），又高效（减少用于保护机制的能量浪费）。

技术摘要：用于低损耗 LCC-S 无线功率传输的准三相相量屏蔽技术

问题陈述
无线功率传输（WPT）系统，特别是采用 LCC-S 补偿拓扑的系统，面临着一个持久的设计挑战：如何在不产生过高线圈损耗的情况下抑制漏磁场。虽然反应式（无源）屏蔽线圈能有效产生抵消场以减少泄漏，但它们会引入一个有害的副作用。在常规配置中，屏蔽（SH）线圈与接收器（RX）之间的耦合改变了系统的阻抗特性。具体而言，SH 耦合会降低有效的 RX 电抗，从而缩小发射器（TX）与 RX 之间的相位差。这种相位差的缩小结合感应电压，会导致屏蔽线圈内的循环电流增加，进而增加传导损耗并降低系统整体效率。现有的方法，如双回路布置或主动屏蔽，通常需要复杂的控制或额外的硬件。

方法论
作者提出了一种名为“准三相相量屏蔽”的方法，旨在解决场抑制能力与效率之间的权衡问题。该方法的核心是在标准的三线圈 LCC-S 系统中，对 RX 和 SH 补偿电容（ $C_{RX}$ 和 $C_{SH}$ ）进行联合调整。

该技术方法依赖于耦合电路分析，以证明以下几点：

相位缩小机制：在常规屏蔽中，SH 分支向 RX 反射负电抗，降低了有效 RX 电抗，并缩小了 TX–RX 相位差（ $\theta_{RX}$ ）。
提出的补偿方案：通过同时增加 $C_{RX}$ 和 $C_{SH}$ ，系统增加了有效 RX 电抗和 SH 分支阻抗。这扩大了 TX–RX 相位差，抵消了由 SH 耦合引起的缩小效应。
电流削减：SH 电流（ $I_{SH}$ $I_{S H}$ ）是由 TX 和 RX 产生的感应电压相量和驱动的。所提方法通过两种互补机制降低 $I_{SH}$ $I_{S H}$ ：
- 扩大 TX–RX 相位差减少了感应电压相量和中的余弦项（公式 9）。
- 增加 SH 分支阻抗（ $|Z_{SH}|$ ）降低了给定感应电压下的电流幅值。
场强保持：尽管 SH 电流降低，但观测点的磁场仍保持受抑制状态，因为该场是 TX、RX 和 SH 贡献的矢量和。相位调整确保了即使在较低的 SH 电流幅值下，也能维持抵消关系。

“准三相”一词是指三者电流之间的抵消关系，并不意味着电流幅值相等或严格的 120° 相位分离。

主要贡献

电路解释：论文提供了一种关联电路解释，展示了 SH 耦合如何使 TX–RX 相位差缩小，以及协同电容调谐如何通过反转此效应来减少 SH 电流。
联合调优策略：引入了一种特定的补偿策略（同时增加 $C_{RX}$ 和 $C_{SH}$ ），该策略能同时扩大 TX–RX 相位差并增加 SH 阻抗。
实验验证：研究通过 Maxwell 仿真以及使用 6.4 $\Omega$ 负载的 LCC-S 原型机进行的物理实验，验证了该理论。

结果
研究对比了三种情况：无屏蔽、常规无源屏蔽以及所提出的准三相相量屏蔽。

仿真结果（6.4 $\Omega$ 负载）：
- 相位差：TX–RX 相位差从 94.46°（常规）扩大到 102.53°（所提方法），增加了 8.07°。
- 屏蔽电流：SH 有效值电流从 2.81 A 降至 1.90 A。
- 场强削减：两种屏蔽方法相对于无屏蔽情况均实现了显著的场强削减（常规为 70.0%，所提方法为 71.9%）。
- 效率：整体效率从 85.2%（常规）提升至 86.3%（所提方法）。
实验结果：
- 相位差：TX–RX 相位差从 85.57°（常规）增加到 97.15°（所提方法）。
- 屏蔽电流：SH 有效值电流降低了约 32.5%（从 2.64 A 降至 1.78 A）。
- 效率：直流效率从 81.76%（常规）提高到 83.04%（所提方法）。
- 场强抑制：在所有四个观测距离（100、150、200 和 250 mm）下，测得的磁场均低于常规值，满足相对于无屏蔽场强至少减少 70% 的目标。

意义
论文声称，所提方法成功地将效率惩罚与无源屏蔽的场抑制能力解耦。通过调整 RX 相位以扩大 TX–RX 相位差并增加 SH 阻抗，系统可以在不需要独立主动源或改变线圈几何结构的情况下，降低屏蔽线圈中的循环电流。结果表明，RX 相位调整可以在保持有效场抑制的同时，缓解通常与 LCC-S 系统中反应式屏蔽相关的电流和效率惩罚。该工作建立了一条设计路径，即通过管理 RX 分支与 SH 分支之间的相互作用，来优化场强与效率之间的权衡。

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