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無線電能傳輸技術(shù)的飛速進(jìn)步和電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使得電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，關(guān)于無線電能傳輸技術(shù)的研究大多集中在輸出特性分析、傳輸效率提升、信號(hào)傳輸方法及電磁環(huán)境安全評(píng)估]等方面，且主要針對(duì)單向傳輸系統(tǒng)（即電能只能從電網(wǎng)流向車載電池）。

而隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車將作為未來智能配電網(wǎng)中一類重要的移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)。雙向無線電能傳輸（Bidirectional Wireless Power Transfer，BWPT）系統(tǒng)以其便利性和互動(dòng)性，使用戶樂意參與到電網(wǎng)削峰填谷等調(diào)控行為，對(duì)提升未來能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性和智能性起到重要作用。

關(guān)于BWPT系統(tǒng)，目前國內(nèi)研究較少。文獻(xiàn)[10]仿真分析了多負(fù)載傳輸系統(tǒng)中電能雙向流動(dòng)的控制策略。文獻(xiàn)[11]對(duì)適用于BWPT系統(tǒng)的三種諧振拓?fù)涮匦赃M(jìn)行了比較分析。國外以奧克蘭大學(xué)U. K.Madawala和佛羅里達(dá)國際大學(xué)O. A. Mohamed研究團(tuán)隊(duì)為代表，研究集中在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、傳輸特性的分析、控制信號(hào)的同步方法及能量雙向流動(dòng)的功能實(shí)現(xiàn)等方面。

在控制策略方面，由于BWPT系統(tǒng)控制自由度較多，而不同自由度的選取和組合會(huì)影響系統(tǒng)變換器和傳輸線圈的損耗分布及大小，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體效率。因此，如何通過多個(gè)控制自由度間的協(xié)調(diào)組合提升系統(tǒng)整體效率，是BWPT系統(tǒng)控制的關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)[17]提出“發(fā)射端變換器工作在高頻逆變模式，接收端變換器工作在不控整流模式”的思路，其問題在于線圈間傳輸效率受負(fù)載變化影響較大，不適用于寬負(fù)載范圍運(yùn)行，且不能實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)方向的平滑切換。文獻(xiàn)[18]分析了負(fù)載變化時(shí)維持線圈間較高傳輸效率的約束條件，但未考慮變換器損耗的影響。文獻(xiàn)[19]計(jì)及了變換器損耗對(duì)系統(tǒng)效率的影響，但優(yōu)化目標(biāo)仍是線圈間傳輸效率，并未對(duì)變換器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

針對(duì)以上問題，本文著眼于BWPT系統(tǒng)整體效率，從一次、二次變換器的優(yōu)化運(yùn)行和線圈間傳輸效率的提升兩個(gè)方面對(duì)BWPT系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。本文首先分析了三個(gè)控制自由度對(duì)于一次、二次變換器運(yùn)行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響，推導(dǎo)了實(shí)現(xiàn)變換器優(yōu)化運(yùn)行和傳輸效率提升的約束條件。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)上述優(yōu)化運(yùn)行條件，對(duì)系統(tǒng)各部分損耗及整體效率進(jìn)行估算，并提出一種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化的控制策略。搭建了相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統(tǒng)控制策略的結(jié)果對(duì)比表明，所提方法能進(jìn)一步優(yōu)化BWPT系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提升系統(tǒng)整體效率。

圖8 BWPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖11兩種控制方案的系統(tǒng)整體運(yùn)行效率對(duì)比

結(jié)論

針對(duì)雙向無線電能傳輸系統(tǒng)，本文主要研究了如何通過系統(tǒng)中三個(gè)控制自由度的協(xié)調(diào)組合，對(duì)BWPT系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和整體效率進(jìn)行優(yōu)化的控制策略。與現(xiàn)有研究中僅關(guān)注線圈間傳輸效率不同，本文的優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)著眼于變換器的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)整體效率。首先分析了BWPT系統(tǒng)中三個(gè)控制自由度對(duì)變換器運(yùn)行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響，得到了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的約束條件。

在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了一套系統(tǒng)整體效率的估算方法，并提出了一種實(shí)現(xiàn)BWPT系統(tǒng)效率優(yōu)化的多自由度組合控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統(tǒng)控制策略的對(duì)比結(jié)果表明，在寬負(fù)載范圍運(yùn)行時(shí)，所提控制方案能進(jìn)一步提升BWPT系統(tǒng)整體效率。本文工作有助于BWPT系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)分析及工作模式選擇。