基于参数优化的多级WPT系统效率提升方法研究

《Wireless Power Transfer》：Research on an efficiency improvement method based on parameter optimization for a multi-stage WPT system in intelligent pallet applications

　　

由于智能托盘的无线充电应用，基于所提出的多级无线功率传输（WPT）系统，研究人员分析了不同级之间的相互干扰，获得了不同级之间交叉耦合的参数条件，并降低了各级输出电压对互感及每个负载的灵敏度。此外，研究了谐振网络参数对逆变器输出电压和效率的影响，并基于此开发了一种参数设计策略以提高整体传输效率并改善系统稳定性。最后，设计了一个五级WPT系统，并验证了所提出的方法。

智能托盘在物流和仓储中应用广泛，传统电池供电方案需要大容量、大尺寸电池以保障续航，导致成本高且体积大。无线充电技术可减小电池容量与尺寸，同时提高操作安全性。然而，多级无线功率传输（WPT）系统在智能托盘应用中面临级间干扰和交叉耦合问题，影响输出电压稳定性和系统效率。现有研究采用多接收线圈直接拾取功率、多频工作或线圈结构优化等方法，但存在控制复杂度高、充电扩展性有限或负载独立性不足等局限。为此，研究人员提出一种基于参数优化的多级WPT系统效率提升方法，旨在解决级间交叉耦合导致的输出电压敏感性和效率下降问题。该论文发表在《Wireless Power Transfer》。

研究人员首先设计了一种多级WPT系统拓扑，包括初级回路（含LCC补偿网络）、中继回路（含拾取线圈和发射线圈）和负载回路（采用S补偿拓扑）。通过分析级间交叉耦合，推导出解耦条件，即相邻级线圈间的互感Mi1_(i+1)1和Msi_(i+1)1为零，从而使负载电压与中继回路电流及其他负载解耦。利用磁芯引导磁通降低互感，通过COMSOL仿真验证了耦合系数可降至0.0022以下。在此基础上，研究人员建立包含MOSFET导通电阻和元件容差的等效模型，分析非理想参数对逆变器输出电压谐波的影响，发现耦合系数增大时总谐波失真（THD）上升，基波幅值衰减21.2%，效率降低。由此提出参数设计策略，优化串联谐振电感Lp与发射线圈L00的比例A以及耦合系数k，以提升效率并改善稳定性。最后搭建五级实验平台验证。

主要关键技术方法包括：1）电路拓扑设计：采用LCC补偿的初级回路和S补偿的负载回路，中继回路包含拾取线圈Li2和发射线圈Li1，通过谐振电容实现纯阻性等效阻抗；2）解耦方法：在相邻级线圈间引入磁芯，引导磁通沿低磁阻路径，降低不需要的互感，使Mi1_(i+1)1和Msi_(i+1)1近似为零，实现负载电压独立；3）参数优化方法：建立包含MOSFET导通电阻Rcom和元件容差（±1%随机误差）的等效电路模型，推导效率与A、k的关系式，设计迭代流程确定最优参数组合，并通过仿真验证电容耐压。

研究结果如下：

**多级WPT系统设计**：系统由初级回路（直流电源Udc、全桥逆变器、LCC拓扑）、中继回路（拾取线圈Li2、发射线圈Li1及谐振电容Ci1、Ci2、Ci3）和负载回路（线圈Lsi、电容Csi、负载Ri）组成，满足谐振条件时各回路等效阻抗为纯阻性。

**系统描述**：给出了n级系统的完整电路图和参数定义，包括各级间的互感M和耦合系数k。

**线圈交叉耦合与输出性能分析**：通过KVL方程推导电流表达式，得出解耦条件（Mi1_(i+1)1=0, Msi_(i+1)1=0且ω⁴Mi1_(i+1)2Mi2_(i+1)1Ci3C(i+1)3?1≠0）。满足条件时负载电压仅与输入电压和互感相关，不受其他级影响。COMSOL仿真表明，引入磁芯后交叉耦合系数ki1_(i+1)1降至0.0022，ksi_(i+1)1降至0.0014，验证了解耦有效性。

**效率优化**：指出非理想因素（如参数偏移、MOSFET导通电阻）导致效率下降，主要原因是串联谐振电感Lp设计不合理导致品质因数Q低、损耗增加。

**非理想参数条件下的电压失真分析**：以双负载系统为例，建立等效模型，考虑±1%元件容差。当耦合系数k=0.2时，非理想模型下基波幅值衰减21.2%，各谐波相位偏移，破坏软开关，效率降低。

**参数设计**：提出设计流程，通过优化A（Lp与L00的比例）和k的组合，使效率达到峰值。推导出效率与A、k的解析式，并给出设计步骤：确定负载规格和线圈距离，建立A、k与效率关系，选择最优组合，迭代调整直至满足输出功率和电压要求，并依据电容峰值电压选型。

**实验验证**：搭建五级WPT实验平台，系统参数如表3所示。优化后逆变器输出电压失真减小，五个负载电压分别为14.8V、12.06V、10.75V、9.20V、11.03V，系统传输效率84.05%。当移除负载R3和R4时，其他负载电压基本不变（UR1=15.1V, UR2=12.47V, UR5=11.5V），效率83.9%，验证了负载独立性和稳定性。计算效率与实验效率差异小于5%，归因于电感测量误差和电容制造容差导致的谐振微小失谐。

研究结论翻译：本研究聚焦于用于智能托盘的多级WPT系统。未来的工作将探索动态负载变化下的功率分配控制方法。此外，所提出的多级WPT系统及效率优化方法有望扩展到其他多级功率传输场景，如机器人集群、无人机集群和电动汽车集群。