MCR-WPT系统传输特性研究及优化.pdf
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1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueNov.2023Vol.46 No.222023年11月15日第46卷第22期0 引 言无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)是一种快速发展、多学科交叉的技术,与传统的通过导线传输电能相比摆脱了导线的束缚,可实现电能的非接触传输,因此又被称为非接触电能传输(Contactless Energy Transfer,CET),具有安全、可靠、灵活等许多优点12。WPT 技术在植入式医疗设备、便携式移动设备、移动机器人、智能家居、水下探测设备、交通和航空航天等方面具有广阔的应用前景,因此受到了
2、国内外学者的广泛关注39。无线电能传输主要可分为磁耦合感应式 WPT、磁耦合谐振式 WPT 和微波辐射式 WPT,其中磁耦合谐振式WPT因具有传输效率高、传输距离远、传输功率大等特点而被广泛应用1011。2007年,麻省理工学院物理系Marin Soljacic 教授用磁耦合谐振技术成功将距离约2 m的60 W灯泡点亮,且效率12达到40%。该技术主要利用了共振和电磁感应的原理,当初级侧谐振网络频率与次级侧谐振网络频率一致时产生磁共振。但由于存在漏磁现象,系统中的无功功率较大,降低了系统的传DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.22.019引用格式:石念波,杨健,
3、金湘亮.MCRWPT系统传输特性研究及优化J.现代电子技术,2023,46(22):109114.MCRWPT系统传输特性研究及优化石念波,杨 健,金湘亮(湖南师范大学 物理与电子科学学院,湖南 长沙 410081)摘 要:无线电能传输系统的拓扑结构和参数特性是影响系统性能的主要因素。针对系统各参数变化对传输效率产生的影响以及传输效率低的问题,采用改进粒子群优化算法对系统进行效率优化。利用电路耦合理论,建立两种拓扑结构的系统等效电路模型,使用 Matlab对系统的功率和效率特性进行数值分析。引入改进粒子群优化算法对传输效率进行优化,并借助Multisim搭建了磁耦合谐振式无线电能传输(MCRW
4、PT)系统来进行仿真验证。仿真结果表明,MCRWPT系统的最高传输效率分别可达到94.7%和93.3%,证明了该算法的有效性,可为实际应用提供一定的参考价值。关键词:磁耦合谐振式;无线电能传输;传输特性;改进粒子群优化算法;等效电路模型;传输效率优化中图分类号:TN929.134;TM724 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)22010906Research and optimization on transmission characteristics of MCRWPT systemSHI Nianbo,YANG Jian,JIN Xiangliang(School o
5、f Physics and Electronics,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)Abstract:The topology and parameter characteristics of the wireless power transmission system are the main factors affecting the system performance.In allusion to the problem of the impact of changes in system parameters on tran
6、smission efficiency and the low transmission efficiency,an improved particle swarm optimization algorithm is used to optimize the efficiency of the system.The system equivalent circuit model of the two topologies is established by means of circuit coupling theory,and the power and efficiency charact
7、eristics of the system are analyzed numerically with Matlab.The improved particle swarm algorithm is introduced to optimize the transmission efficiency,and Multisim is used to build a magnetic coupled resonant wireless power transmission(MCRWPT)system for the simulation verification.The simulation r
8、esults show that the maximum transmission efficiency of MCRWPT system can reach 94.7%and 92.9%,respectively,which proves the effectiveness of this algorithm and provides a certain reference value for practical applications.Keywords:magnetic coupled resonant;wireless power transmission;transmission c
9、haracteristics;improved particle swarm optimization algorithm;equivalent circuit model;optimization of transmission efficiency 收稿日期:20230320 修回日期:20230427基金项目:国家自然科学基金项目(62174052);国家自然科学基金项目(61827812);湖湘高层次人才聚集工程(2019RS1037);湖南省科技厅项目(2020GK2018)109109现代电子技术2023年第46卷输效率,所以采用增加电容或电感的谐振补偿方式进行无功功率补偿。本文基
10、于 MCRWPT 系统建立了两种拓扑结构的等效电路模型,并通过数值仿真和系统仿真来分析系统不同拓扑结构的功率和效率特性。针对MCRWPT系统传输效率低的问题,引入粒子群算法对参数匹配问题进行优化,使系统具有较高的传输效率。1 拓扑结构等效电路模型通过补偿电容的不同连接方式,可以分为四种基本补偿拓扑结构:SS、SP、PS和PP。但是在实际应用中往往使用高阶谐振拓扑结构使其有更好的输出特性,如LCCC、LCCLCC 等。本文主要分析 SS和 LCCC 拓扑结构,其等效电路如图 1所示,通过电路耦合理论计算出不同补偿网络下各支路的电压、电流、输出功率及系统的传输效率。图1 两种拓扑结构模型等效电路1
11、.1 SS补偿拓扑分析由等效电路图1a)可得到发射电路的等效阻抗为:Z1s=R1+j()L1-1C1(1)接收电路的等效阻抗为:Z2s=R2+RL+j()L2-1C2(2)根据图1a)SS结构等效电路,列出KVL方程:Us=Z1sI1-jMILZ2sIL=jMI1(3)由式(3)解得:I1=Z2sUsZ1sZ2s+2M2 (4)IL=jMUsZ1sZ2s+2M2(5)式中:Us为电源电压;L1、L2分别为发射电路和接收电路的谐振线圈电感;C1、C2分别为发射电路和接收电路补偿电容;I1、I2分别为发射电路和接收电路的电流;R1、R2分别为发射电路和接收电路的谐振线圈等效内阻;M为发射和接收线圈
12、互感;RL为接收电路的负载。系统的输出功率和传输效率分别为:Pout=I2LRL=()MUs2RL()Z1sZ2s+2M22(6)=PoutPin=2M2RL()Z1sZ2s+2M2Z2s(7)1.2 LCCC补偿拓扑分析根据图 1b)LCCC结构等效电路,由 KVL和 KCL列出方程:()jLf+1jCfIf-1jCfI1=Us()R1+jL1+1jC1+1jCfI1-1jCfIf-jMI2=0()R2+RL+1jC2+jL2I2-jMI1=0(8)由式(8)解得:I1=-()jCfU1I2=2MCfR2+RLUsIf=()Cf2()2M2R2+RL+R1Us(9)则系统的输入输出功率和传输
13、效率分别为:Pin=U1If=()Cf2()2M2R2+RL+R1U2s(10)Pout=I22RL=()2MCfR2+RLUs2RL(11)=PoutPin=()M2RL()R2+RLR1()R2+RL+()M2(12)2 拓扑结构功率和效率特性分析WPT 系统的设计和优化过程中,回路中任何一个参数的变化都会对系统输出功率和传输效率产生较大影响。当选择一种补偿拓扑结构用于系统中时,往往需要通过多软件、多参数联合仿真,经不断地选择和对比后确定各元件的参数,以此来提升系统的传输特性。下面将运用 Matlab对已有数学模型的补偿拓扑结构做进一步分析。2.1 传输效率分析当系统负载取值0100,工作
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