沈阳工业大学科研人员在多负载磁耦合谐振无线电能传输系统研究方面取得新进展

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为了解决磁耦合谐振无线电能传输（WPT）系统在多负载情况下系统效率低、功率分配不均的问题，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员陈晓平、刘岩在2022年第4期《电气技术》上撰文，通过建立多负载系统的等效电路模型并进行理论推导，分析系统各负载两端电压对功率、效率的影响，提出一种能够同时实现功率分配和效率最大化的数值优化方法。首先通过对等效电路的分析确定系统总效率表达式，并以此作为目标函数；再以系统各接收端额定功率作为约束，通过粒子群优化算法（PSO）搜寻效率最大值；最后通过搭建仿真模型验证该控制方法的优越性。

研究背景

磁耦合谐振无线电能传输（WPT）由于具有高效率、远距离传输电能的优点，近年来受到各国学者关注。目前，单负载WPT技术相对成熟，被应用于电动汽车、移动设备及植入式医疗设备等领域，但是单负载WPT系统只能给一个负载供电、系统利用率低，而多负载WPT技术恰好可以弥补单负载WPT技术存在的不足。近年来，国内外学者在多负载WPT技术领域，对线圈结构、功率分配、系统效率及频率分裂等方面也都进行了相关的基础研究。虽然，当前已有大量文献研究了多负载的特性和效率问题，但是对多负载同时充电和各负载的功率分配问题研究较少。

论文所解决的问题及意义

基于无线电能传输系统在多负载情况下既能满足系统效率，又能对各负载进行功率分配的优势，本文对系统输出功率和传输效率的特性进行分析，在负载功率的制约下，提出一种基于粒子群优化算法（PSO）搜寻最佳占空比进而改善负载两端电压的控制策略。通过仿真验证表明，在不忽略功率分配的情况下，此方法可显著提升系统效率。

图1 多负载磁耦合谐振WPT系统结构模型

论文方法及创新点

本文在忽略系统的交叉耦合且系统处于谐振的情况下，将系统的各副边转换到原边进行等效。系统的等效电路模型如图2所示，其中Z_g1～Z_gn为各接收端换算到发射端的阻抗。

图2 系统等效电路模型

通过Matlab进行三维仿真分析，可得系统功率、效率与各负载两端电压之间的关系分别如图3和图4所示。系统的功率和效率与负载电压密切相关，即可通过控制负载两端电压来控制系统功率及效率。

图3 系统输出功率随输出电压变化

图4 系统传输效率随输出电压变化

本文通过升降压变换器来直接提高或降低负载的电压大小，使负载电压在满足要求的同时，通过PSO寻找到系统效率的最大值。通过Matlab/Simulink进行仿真模型搭建，以验证本文所提方法的可行性。基于PSO的优化流程如图5所示。

图5 基于PSO的优化流程

结论

本文对多负载磁耦合谐振WPT系统各接收端电压对其功率、效率的影响特性进行了分析，并提出了一种在负载功率约束条件下，基于PSO使系统效率最大化的控制策略，通过搭建仿真模型验证了该方法对系统功效的提升作用。但本文研究仍存在以下不足：由于忽略了交叉耦合的影响，所以使用的是小负载，当负载较大时，交叉耦合不容忽略，这限制了该策略的适用范围，因此还需后续更深入的研究。

本文编自2022年第4期《电气技术》，论文第一作者为陈晓平，1996年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输。

引用本文

陈晓平, 刘岩. 多负载磁耦合谐振无线电能传输系统功效分析与优化[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 37-41. CHEN Xiaoping, LIU Yan. Efficiency analysis and optimization of multi-load magnetic coupling resonance wireless power transfer system. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 37-41.

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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