研究背景

磁耦合諧振無線電能傳輸（WPT）由于具有高效率、遠距離傳輸電能的優點，近年來受到各國學者關注。目前，單負載WPT技術相對成熟，被應用于電動汽車、移動設備及植入式醫療設備等領域，但是單負載WPT系統只能給一個負載供電、系統利用率低，而多負載WPT技術恰好可以彌補單負載WPT技術存在的不足。

近年來，國內外學者在多負載WPT技術領域，對線圈結構、功率分配、系統效率及頻率分裂等方面也都進行了相關的基礎研究。雖然，當前已有大量文獻研究了多負載的特性和效率問題，但是對多負載同時充電和各負載的功率分配問題研究較少。

論文所解決的問題及意義

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

圖1 系統結構模型

論文方法及創新點

本文在忽略系統的交叉耦合且系統處于諧振的情況下，將系統的各副邊轉換到原邊進行等效。系統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射端的阻抗。

圖2 系統等效電路模型

通過Matlab進行三維仿真分析，可得系統功率、效率與各負載兩端電壓之間的關系分別如圖3和圖4所示。系統的功率和效率與負載電壓密切相關，即可通過控制負載兩端電壓來控制系統的功率及效率。

圖3 系統輸出功率隨輸出電壓變化

圖4 系統傳輸效率隨輸出電壓變化

本文通過升降壓變換器來直接提高或降低負載的電壓大小，使負載電壓在滿足要求的同時，通過PSO尋找到系統效率的最大值。通過Matlab/Simulink進行仿真模型搭建，以驗證本文所提方法的可行性。基于PSO的優化流程如圖5所示。

圖5 基于PSO的優化流程

結論

本文對多負載磁耦合諧振WPT系統各接收端電壓對其功率、效率的影響特性進行了分析，并提出了一種在負載功率約束條件下，基于PSO使系統效率最大化的控制策略，通過搭建仿真模型驗證了該方法對系統功效的提升作用。但本文研究仍存在以下不足：由于忽略了交叉耦合的影響，所以使用的是小負載，當負載較大時，交叉耦合不容忽略，這限制了該策略的適用范圍，因此還需后續更深入的研究。

本文編自2022年第4期《電氣技術》，論文第一作者為陳曉平，1996年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸。