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 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Zg1～Zgn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的功率及效率。

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。