研究背景

磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸（WPT）由于具有高效率、遠(yuǎn)距離傳輸電能的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到各國(guó)學(xué)者關(guān)注。目前，單負(fù)載WPT技術(shù)相對(duì)成熟，被應(yīng)用于電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備及植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，但是單負(fù)載WPT系統(tǒng)只能給一個(gè)負(fù)載供電、系統(tǒng)利用率低，而多負(fù)載WPT技術(shù)恰好可以彌補(bǔ)單負(fù)載WPT技術(shù)存在的不足。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多負(fù)載WPT技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)線圈結(jié)構(gòu)、功率分配、系統(tǒng)效率及頻率分裂等方面也都進(jìn)行了相關(guān)的基礎(chǔ)研究。雖然，當(dāng)前已有大量文獻(xiàn)研究了多負(fù)載的特性和效率問(wèn)題，但是對(duì)多負(fù)載同時(shí)充電和各負(fù)載的功率分配問(wèn)題研究較少。

論文所解決的問(wèn)題及意義

基于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在多負(fù)載情況下既能滿足系統(tǒng)效率，又能對(duì)各負(fù)載進(jìn)行功率分配的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率的特性進(jìn)行分析，在負(fù)載功率的制約下，提出一種基于粒子群優(yōu)化算法（PSO）搜尋最佳占空比進(jìn)而改善負(fù)載兩端電壓的控制策略。通過(guò)仿真驗(yàn)證表明，在不忽略功率分配的情況下，此方法可顯著提升系統(tǒng)效率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文在忽略系統(tǒng)的交叉耦合且系統(tǒng)處于諧振的情況下，將系統(tǒng)的各副邊轉(zhuǎn)換到原邊進(jìn)行等效。系統(tǒng)的等效電路模型如圖2所示，其中Zg1～Zgn為各接收端換算到發(fā)射端的阻抗。

圖2 系統(tǒng)等效電路模型

通過(guò)Matlab進(jìn)行三維仿真分析，可得系統(tǒng)功率、效率與各負(fù)載兩端電壓之間的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。系統(tǒng)的功率和效率與負(fù)載電壓密切相關(guān)，即可通過(guò)控制負(fù)載兩端電壓來(lái)控制系統(tǒng)的功率及效率。

圖3 系統(tǒng)輸出功率隨輸出電壓變化

圖4 系統(tǒng)傳輸效率隨輸出電壓變化

本文通過(guò)升降壓變換器來(lái)直接提高或降低負(fù)載的電壓大小，使負(fù)載電壓在滿足要求的同時(shí)，通過(guò)PSO尋找到系統(tǒng)效率的最大值。通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行仿真模型搭建，以驗(yàn)證本文所提方法的可行性。基于PSO的優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 基于PSO的優(yōu)化流程

結(jié)論

本文對(duì)多負(fù)載磁耦合諧振WPT系統(tǒng)各接收端電壓對(duì)其功率、效率的影響特性進(jìn)行了分析，并提出了一種在負(fù)載功率約束條件下，基于PSO使系統(tǒng)效率最大化的控制策略，通過(guò)搭建仿真模型驗(yàn)證了該方法對(duì)系統(tǒng)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響，所以使用的是小負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，交叉耦合不容忽略，這限制了該策略的適用范圍，因此還需后續(xù)更深入的研究。

本文編自2022年第4期《電氣技術(shù)》，論文第一作者為陳曉平，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸。