无线电能传输系统最高效率点控制策略的研究

频道：生活应用日期：2025-10-27 06:03:31 浏览：22

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是无线电能传输技术，电能可以实现无线传输，和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，近十几年该技术在生活中大规模被应用，无线电能传输系统负载电压与传输效率由线圈的耦合系数和负载阻抗所决定，但耦合系数和负载阻抗变化呈非线性，像无线充电汽车的耦合系数取决于客户位置，充电过程中负载（电池）产生变化。目前，诸多研究者针对无线电能传输的电压，展开了细致深入的剖析，对传输效率，也进行了钻研；有文献，提出了借助多个谐振器的自适应频率调优方式，以此让系统传输效率实现最大化；有文献，采取高频变压器实施自动阻抗匹配的办法，来促使无线电能传输达到更佳效果；有文献使用DC/DC转换器，有效地调控输出电压；有另外的文献，针对欠耦合、临界耦合以及过耦合这三种不一样的状况，展开了分析，进而获取到无线电能传输的功率，以及频率特性。

上述各类控制方法，确保了系统输出电压处于稳定状态，或者提高了系统的传输效率，然而，把上述两个问题相互结合起来，也就是针对进行稳压调节如何兼顾传输效率的相关研究，却极为少见。本文对谐振频率、耦合系数、负载阻抗予以综合考量，首先借助互感理论针对系统开展建模、分析工作，从而获取无线电能传输的等效电路，设计了最高效率点跟踪控制策略，以此让系统效率实现最大化，并且确保输出电压达到稳定状态，借助锁相环针对逆变电路实施频率跟踪，以使逆变器的频率稳定于谐振频率上，与此同时，最大效率点针对等效负载的最佳值予以动态跟踪匹配，进而调节输出电压。

1 无线电能传输系统特性分析

一种方式是基于互感理论开元棋官方正版下载，另一种是结合耦合模理论，此二者是建立无线电能传输系统模型的主要方式，得到的结局便是这两种理论最终能够获取统一成果，在此次文章当中所用途径经由松耦合变压器的互感原理去将其作为架构模型再予以分析考量环节，最初的电能由经由耦合传输到次级线圈的初级线圈开展，把线圈当作是相互耦合的一对电感来进行操作运用，针对原来地方以及副边的电阻电感从而去建造约束方程，依靠此得出输入输出变量，无线电能传输系统等效电路最终生成的模型正犹如图1呈现的那样形状位置。

回路1，是那原边作为驱动的线圈，它能够被称作源端线圈，回路2呢，是副边，它能够被叫做负载线圈，这里面，线圈1以及线圈2分别归属发射线圈还有接收线圈，二者都是谐振线圈，其中，L1以及L2分别是发射端以及接收端的谐振电感，R1和R2是收发端的等效串联电阻，I1以及I2分别是发射端以及接收端的谐振电流，M是谐振线圈的互感。

定义耦合系数为：

从式(2)以及式(6)能够知晓，电压增益还有效率，其是与负载阻抗以及互感（耦合系数）相关的函数。运用文献里的实验参数开yun体育app入口登录，仿真所得到的结果如同图2展示出来的那般。

依照图2（a）能够知道，无线传能系统当中的电压增益这一情况，属于负载电阻所具备的单峰函数，要是负载电阻处于固定状态时，会对应着一个情形，即在该情形下能够达成最大电压增益的耦合系数出现。参考图2（b）显示出来的内容能够有所认知，系统里关于传输效率这一状况，是负载电阻所表现出的单增函数，而当耦合系数维持在固定状况时，会对应有一种状况出现，也就是在该状况时候会有能够达到最大效率的负载电阻存在。

2 闭环系统效率评价方法

无线电能传输系统，作为电源而言，需要稳定的输出电压，在耦合系数发生变化时，闭环无线传输系统能够控制不同变量，调节输出电压；当负载电阻变化时，闭环无线传输系统同样可以控制不同变量，调节输出电压。图3展示的是系统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，这两种方法通过调节逆变电路占空比调节输出电压，进而使逆变器始终保持ZCS状态，同时也始终保持ZVS状态。图3(c)在发射端加入了DC\DC转换器，它能够在不改变工作频率的情况下，线性调节系统输出电压，输入前级变比把CInput当作US/U0控制变量，而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电压增益相乘所得。如图3(d)所示，在该元器件整体结构中的输出端这个明确位置添加入DC/DC转换器，用于按照特定设计方向去对处于接入状态下的负载电压进行精准调节，后级那里明确设定了新的变比数值是Cload结构表达式为等于R0比RL，其中R0它所代表的明确参数指代转换器方面而言是输入电阻，以此电阻作为基准参考单元参照基础数值，通过细致精准有效地控制转换器这一关键零部件设备的驱动信号以此明确调节举措来最终实现对输出电压的合理调节。

3 最高效率点控制策略

3.1 系统结构

无线电能传输系统的输出电压，是由不同变量来进行控制的，最高效率点控制方案呢，可以同时控制两个变量，以此保证系统在同一时间达成稳定的输出电压状态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相等的这种情况下获得的，也就是：。

由此能知道开yunapp体育官网入口下载手机版，最佳匹配电阻与耦合系数有关系，在式(7)得以满足的时候，系统达成，同时，那个式(8)被满足之际，那种最大传输效率就可以这样显示为：

图4是最高效率点控制方案的闭环控制系统结构图，在输入端加入DC/DC转换器，还在输出端加入DC/DC转换器，这里忽略其损耗，控制器把输入电流Iin当成反馈信号，还将输出电压UL作为反馈信号，把输出电压转换率当作控制量，也把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)能够明白，借助对输出端DC/DC转换器开关管占空比予以调节，可以实现匹配，来达成使系统传输效率最大化的最佳电阻。图5展示的是，在最高效率点闭环跟踪控制时，无线电能传输系统电压增益同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所对应的恒定输出电压轨迹，负载阻抗发生变化的时候，最高效率点控制策略能够促使操作点顺着图里的轨迹进行移动，以此来寻觅到最大效率点，也就是去匹配最佳负载电阻的意思 .把式（8）当作依据的话，就能计算出最佳等效负载电阻，然而线圈互感是由耦合线圈位置决定的，等效电阻具有不确定性的问题，那么此时就不能够准确地去预测最高效率点了。

图7是无线电能传输系统最高效率点控制策略网络流程图，系统参数变化时，转换器调节每次扰动带来的电压及效率变化，具体步骤如下：首先扰动前级变比或者后级变比，让工作点偏离恒压曲线，接着调整后级变比使工作点回到输出恒压曲线，控制器记录系统每次扰动及调整前后系统整体的传输效率。要是系统的传输效率渐渐提升，控制器继续依照当前增加或减小方向予以调整；反之，向反方向进行调整。