LCC_S-WPT系统线圈参数优化及双边调谐控制研究.pdf

湘潭大学硕士学位论文

摘要

目前，无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)作为一种无直接电气接触的新

型输电形式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。相较于传统输电

方式，WPT具备更高的安全性，且应用更方便、灵活。然而，由于耦合机构具有较高的

空间自由度，其相对位置的不确定性会导致耦合参数的波动，造成耦合系数下降和频率

失谐现象，从而降低系统的传输效率，影响系统稳定输出。因此，开展WPT系统偏移

工况下的耦合机构优化设计和频率调谐控制研究具有重大意义。

对于偏移工况下耦合机构参数的优化设计，传统方法大多依靠穷举法和有限元

分析（FEA）来实现，存在建模复杂、耗时长的缺点。为了克服这些局限性，本文

针对六边形线圈LCC/S-WPT系统，综合考虑传输效率和功率实际需求，提出了一

种基于遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）的线圈参数优化策略。首先采用直接积分

法简化了六边形线圈互感模型的解析求解过程。基于改进互感模型，通过控制变量

法深入分析了线圈传输特性，由此基于偏移工况下线圈传输损耗及系统实际功效需

求提出了优化目标函数及约束条件，最后利用GA自动实现了六边形线圈的多参数

优化。

针对WPT系统因参数漂移导致的频率失谐问题，传统的单边调谐控制无法实现系

统的完全补偿，采用无线通信的双边调谐控制存在耦合问题。为此，本文重点提出了一

种适用于LCC/S-WPT系统的双边调谐解耦控制策略，在无通信及参数辨识情况下能够

实现系统的双边调谐解耦控制。首先着重分析了系统原、副边达到谐振状态时的相关电

气特征。在此基础上，提出基于最佳效率跟踪的零相角(ZeroPhaseAngle,ZPA)控制法和

最大电流搜索的双步长扰动观察法分别对原、副边补偿网络参数进行自适应调节，实现

了双边调谐解耦控制。

本文从耦合机构的参数优化及频率调谐控制两方面对LCC/S-WPT系统提出了

效率优化策略，并基于PSIM仿真软件及DSP28335开发板对所提控制算法的正确

性进行了硬件在环仿真验证，最后搭建了200W的WPT系统实验平台，仿真和实验

验证了LCC/S-WPT系统双边调谐解耦控制策略的有效性，所设计系统最大传输效

率达到93.7%。

关键词：无线电能传输；参数优化；遗传算法；开关电容；调谐解耦控制

I

湘潭大学硕士学位论文

Abstract

Atpresent,WirelessPowerTransfer(WPT),anewformofpowertransmission

withoutdirectelectricalcontact,hasbeenselectedasoneofthetenfutureresearch

directionsbytheAmericanTechnologyReviewmagazine.Comparedwithtraditional

transmissionmethods,WPThashighersecurityandismoreconvenientandflexiblein

application.However,duetothehighspatialfreedomofthecouplingmechanism,the

uncertaintyofitsrelativepositionwillleadtothefluctuationofthecouplingparameters,

resultinginthedegradationofthecouplingcoefficientandfrequencydetuning

phenomenon,thusreducingthetransmi