pg下载 无线电能传输系统最高效率点控制策略的研究

0 引言

支持负载设备以非接触方式，从电源取电的电能输送技术，即无线电能传输技术，电能能够进行无线传输，与输电网络不存在电的直接连接，具备灵活、安全以及方便等优点，该技术在近十几年大规模应用于生活之中，无线电能传输系统当中，负载电压以及传输效率，取决于线圈的耦合系数和负载阻抗，然而耦合系数和负载阻抗的变化，呈现出非线性的特点，比如说无线充电汽车的耦合系数，取决于客户所处的位置，在充电过程中负载（电池）会发生改变。如今，存在不少学者针对无线电能传输的电压以及传输效率展开了深入剖析，有文献提出了借助多个谐振器的自适应频率调优方式，从而让系统传热效率实现最大值。有文献运用高频变压器进行自动阻抗匹配的办法，去改良热电能传递成效。有文献采用DC/DC转换器高效调控输出电压。有文献剖析了欠耦合、临界耦合以及过耦合这三种各异情形，进而取得无线电能传输功率以及频率特性。

诸如上述的各类控制方法，确保了系统输出电压的稳定，或者提升了系统的传输效率，然而，把上述存在的两个问题结合起来，也就是针对进行稳压调节时怎样兼顾传输效率这一情况的研究，是极为少见的。本文依照谐振频率、耦合系数、负载阻抗予以综合考量，先是借助互感理论针对系统开展建模、分析之举以获取无线电能传输所对应的等效电路，进行了最高效率点跟踪控制策略的设计来促使系统效率实现最大化并确保输出电压的稳定，借由锁相环针对逆变电路展开频率追逐，旨在让逆变器的频率锁定于谐振频率之上pg下载，与此同时使最大效率点动态跟踪着同时去匹配等效负载的最佳值，进而对输出电压予以调节。

1 无线电能传输系统特性分析

无线电能传输系统构建其所需的模型时，通常存在着两种主要的建模方式，分别是互感与耦合模，上述两种理论，最终均能获取到一致的结果，在本文当中，采用的是基于松耦合变压器的互感原理来展开对其的建模与相关分析研究工作，在这个过程里，电能是从初级线圈，借助耦合这一形式传输到次级线圈当中的，将线圈视作为相互耦合的一对电感，基于此来组建原边以及副边的电阻和电感的约束方程，以此来求解输入与输出变量，无线电能传输系统的等效 circuits 表现形式就是图 1 所展示的那样。

回路1，是那原边驱动线圈，能够称作源端线圈，回路2呢，则是副边，可以叫做负载线圈。这之中，线圈1以及线圈2，分别是发射线圈与接收线圈，二者皆是谐振线圈。并且，L1和L2pg下载通道，分别是发射端与接收端的谐振电感，R1和R2，是收发端的等效串联电阻，I1和I2，分别是发射端与接收端的谐振电流，M呢，是谐振线圈的互感。

定义耦合系数为：

根据式(2)，可知电压增益是关于负载阻抗,和互感（耦合系数）地地函数，根据，则，可知效率是关于负载阻抗,和互感（耦合系数）地地函数。实验参数采用文献之中地参数，仿真结果如图2所示。

已知从图2（a）看得出来，无线传能系统具备这样的情况，其电压增益属于负载电阻的单峰函数，在负载电阻是固定状态时，会对应着一个能够达成最大电压增益的耦合系数。从图2（b）能够知道，系统的传输效率呈现为负载电阻的单增函数，当耦合系数处于固定状态时，会对应着一个能够达成最大效率的负载电阻。

2 闭环系统效率评价方法

无线电能传输系统身为电源，其需要稳定的输出电压，若耦合系数以及负载电阻发生变化，那么闭环无线传输系统就能掌控不同的变量，以此来调节输出电压。图3就是系统的四种不同的闭环控制方案。

图3(a)是降频调压控制方法，图3(b)是升频调压控制方法，是通过调节逆变电路的占空比来调节输出电压，从而使逆变器始终保持ZCS和ZVS状态。图3(c)在发射端加入了DC/DC转换器，它在不改变工作频率的情况下，能线性调节系统输出电压，输入前级变比把CInput作为控制变量设为US/U0pg下载麻将胡了，其中U0是经转换器调节后的输出电压，整流输出电压增益是电源电压增益与转换器的电压增益相乘得到的。通过控制转换器的驱动信号，于图3(d)的输出端加入DC/DC转换器，以此调节负载电压，后级变比Cload为R0除以RL，其中R0是转换器的输入电阻，进而调节输出电压。

3 最高效率点控制策略

3.1 系统结构

无线电能传输系统之中，输出电压是由不同变量予以控制的，最高效率点控制方案能够同时控制两个变量，以此保证在同一时间，系统获取到稳定的输出电压以及最大的传输效率。控制方案的最高效率点是在系统角频率ωs跟接收侧谐振频率ω2相等的情形下取得的，也就是：

据此能够明确，最佳匹配电阻是同耦合系数存在关联的，在式(7)以及式(8)同时得以满足的情况下，系统所获取到的最大传输效率为：

最高效率点控制方案的闭环控制系统结构图是图4，在输入端加入DC/DC转换器（忽略其损耗），在输出端也加入DC/DC转换器（忽略其损耗），控制器把输入电流Iin和输出电压UL当做反馈信号，把输出电压转换率以及负载转换率作为控制量，并且系统工作频率ωs是固定不变的，系统输入侧DC/DC转换器调节输出电压，输出侧DC/DC转换器进行电阻最佳匹配，其匹配电阻为：

根据式（11）能够得出，借助调节输出端DC/DC转换器开关管的占空比，进而完成匹配，让系统传输效率实现最大程度数值的最佳电阻。图5呈现的是，在最高效率点闭环跟踪控制的情形下，无线电能传输系统的电压增益，与负载转换率以及电压转换率之间的关系。

3.2 控制策略

图 6 呈现的是最高效率点控制形态下处于恒定输出电压状态的轨迹，负载阻抗发生改变或者耦合系数出现变化时，最高效率点控制策略会促使操作点顺着图上轨迹移动，以此寻觅最大效率点，也就是去匹配最佳负载电阻。依据式（8）能够计算得出最佳等效负载电阻，然而线圈互感是由耦合线圈位置所决定的，又因为等效电阻并不确定，所以没办法准确地预测出最高效率点。

图7呈现的是，无线电能传输系统当中，最高效率点控制策略的网络流程图，当此类系统参数发生变化之际，转换器会针对每一次扰动，去调节由此带来的电压以及效率变化，其具体的步骤是，首先对前级变比或者后级变比加以扰动，进而让工作点偏离恒压曲线，接着调整后级变比，促使工作点回归到输出恒压曲线，控制器会记录系统每一次扰动以及调整前后，系统整体的传输效率。倘若系统的传输效率会逐步提升，控制器会继续依照当前增加或减小的方向予以调整；反之，则朝着反方向进行调整。

4 结论

本文运用互感理论，分析了无线电能传输系统里输出电压，以及系统效率同耦合系数、负载变化的关系，介绍了四种典型的闭环控制方案，还提出了最高效率点控制策略，经分析得出，对基于最高效率点控制的无线电能传输系统而言，在线圈传输距离较远的时候，或者等效负载阻抗远离最佳值之际，能够同时确保系统取得稳定输出电压，以及最大传输效率。