基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法及系统

技术领域

本申请涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法及系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是指综合应用电力电子技术、控制理论与技术等，利用磁场、电场、激光、微波等载体实现电能从电网或电池以非电气接触的方式传输至用电设备的技术，该技术极大提升了用电设备取电安全性，使电能供给变得更加灵活。

电场耦合式无线电能传输(Electric-field Coupled Wireless PowerTransfer,EC-WPT)系统采用电场作为电能传输载体，具有耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低；在工作状态中电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰小；可以穿越金属障碍传能；在耦合机构周围及其之间的金属导体上产生涡流损耗甚小等优点而受到广泛研究。

在EC-WPT系统应用中，通常需要在耦合电容及负载变化条件下系统具有恒压输出特性。现有技术中有采用增加控制模块来稳定输出电压，然而额外的控制模块意味着需要更高的成本，且系统会变得更加复杂；还有相关技术中，实现了耦合电容及负载变化条件下系统具有恒压输出特性，但其耦合电容在数百pF级，允许的耦合电容相对变化较小，然而许多EC-WPT系统的耦合电容值通常只有数十pF，目前的方法在耦合电容值较小且耦合电容及负载变化情况下系统难以实现恒压输出特性。

因此，有必要给出一种方法解决上述问题，即在相对较大的耦合电容值变化(耦合电容值从数十pF变化到数百pF甚至nF级)及负载变化条件下，EC-WPT系统仍能具有良好的恒压输出特性。

发明内容

本申请提供一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法及系统，本申请的技术方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法，包括：

基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型；

根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统的约束条件；

根据所述约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型；

利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，得到所述EC-WPT系统参数的最优解。

可选地，所述双边LC补偿EC-WPT系统包括：

直流电源E

可选地，所述基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型，具体包括如下步骤:

S101:确定所述耦合机构的等效耦合电容:

其中，C

S102:将C

其中，ω代表系统的工作角频率，j为虚数；

S103:另L

其中，

S104:当电感L

ω

则所述LCL电路的输出电流

LCL电路的阻抗Z

其中：

R为整流滤波电路及负载电阻R

S105:当电感L

ω

等效负载两端电压

S106:令C

S107：根据所述等效负载两端电压公式构建系统输出电压模型。

可选地，根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统的约束条件，包括:

S21:在所述耦合机构的耦合电容及负载变化的情况下，确定具有恒压输出特性的参数条件；

S22:基于所述参数条件确定所述EC-WPT系统的约束条件。

可选地，所述步骤S21:在所述耦合机构的耦合电容及负载变化的情况下，确定具有恒压输出特性的参数条件，包括:

S211:令

对a求模可得，

其中，|a|与C

当耦合电容C

其中，ε表示电压最大变化幅度，C

S212:假定在变化过程中C

其中k＝C

若负载不变条件下，将式(48)简化后得到具有恒压输出特性的参数条件：

其中，线圈的Q值满足：

可选地，所述S22中基于所述参数条件确定所述EC-WPT系统的约束条件，包括：

G1:根据应用场合确定直流输入电压E

G2:直流负载电阻R

G3:对于所述耦合机构，允许的最大偏移程度决定C

G4:设置允许的输出电压波动幅度ε，ε≤ε

G5:设置ω

G6:设置L

G7:改变k值可以改变极板的激励电压，进而改变系统的输出参数，设置电容比k满足k

可选地，所述根据所述约束条件，所述EC-WPT系统参数的非线性规划模型为：

minε×100％ (34)

可选地，所述利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，得到所述EC-WPT系统参数的最优解，具体包括：

选用二进制编码方式对变量C

以ε作为适应度函数，求电压最大变化幅度ε的最小值，其中，函数值与适应度成反比；

采用“轮盘赌法”进行选择操作，旧群体中适应度值越高的个体被选中的概率越大，被选中的个体组成新的种群，继续繁殖得到下一代个体；

采用单点交叉法和单点变异法依次进行交叉和变异操作；

调用MATLAB中fmincon函数定义非线性函数进行非线性局部寻优，并把所得到的局部最优值作为新个体染色体继续进化，其中，遗传算法每进化10代，以所得到的结果为初始值；

设置终止代数为100，适应度函数值偏差为10

可选地，所述逆变器是由S

根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化系统包括：

模型初始化模块，用于基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型；

模型构建模块，用于根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统的约束条件；以及根据所述约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型；

模型优化模块，用于利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，得到所述EC-WPT系统参数的最优值。

有益效果：

本申请提供了提供一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法及系统，以双边LC补偿的EC-WPT系统为对象，建立系统输出电压模型；根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统参数的约束条件；根据所述参数的约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型；利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，最终得到所述EC-WPT系统参数的最优解。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1是根据一示例性实施例示出的基于双边LC补偿的EC-WPT系统拓扑结构图；

图2是根据一示例性实施例示出的EC-WPT系统的第一等效电路示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的EC-WPT系统的第二等效电路示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的系统参数优化流程图；

图5是根据一示例性实施例示出的考虑电感内阻情况下EC-WPT系统等效电路示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的C

图7是根据一示例性实施例示出的C

图8是根据一示例性实施例示出的系统输出电压U

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请一示例性实施例提供的一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法具体包括：

S1，基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型；

如图1所示，采用基于双边LC补偿的EC-WPT系统拓扑，系统发射端由直流电源E

一些实施例中，直流电输入经逆变器将直流电逆变成系统需要的高频电压，注入补偿网络，经发射端原边LC补偿电路得到高频高压交流电，在其作用下，耦合机构的两对极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流“流过”极板，再经过接收端的副边LC补偿网络和整流滤波电路后变换为负载上的直流电，最终实现电能的无线传输。

一些实施例中，假设极板P

一些实施例中，步骤S1基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型，具体包括:

S101:确定所述耦合机构的等效耦合电容:

其中，C

S102:将C

其中，ω代表系统的工作角频率，j为虚数。

一些实施例中，如果利用阻抗不变原则将C

S103:令L

其中，

S104:当电感L

则原边LCL网络的输出电流

LCL电路的阻抗Z

其中，

R为整流滤波电路及负载电阻R

S105:当副边电感L

ω

等效负载两端电压

S106:令C

S107：根据所述等效负载两端电压公式构建系统输出电压模型。

显然，当C

S2:根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统的约束条件。

一些实施例中，步骤2具体包括:

S21:在所述耦合机构的耦合电容及负载变化的情况下，确定具有恒压输出特性的参数条件；

S22:基于所述参数条件确定所述EC-WPT系统的约束条件。

更为具体的，步骤21具体包括：

S211:令

对a求模可得，

其中，|a|与C

当耦合电容C

其中，ε表示电压最大变化幅度，C

S212:假定在变化过程中C

其中k＝C

若负载不变条件下，式(48)可简化后得到具有恒压输出特性的参数条件：

其中，线圈的Q值满足：

一些实施例中，其他参数不变的情况下C

此外，到不等式左侧第一项随着Q的增大而减小，左侧第二项随Q和ω的增大而减小，因此，增大ω有利于减小输出电压波动。

由于式(48)是带参数的高阶不等式，无法给出解析区间，因此本申请将问题转变为非线性规划问题。在实际EC-WPT系统中，S22中基于所述参数条件确定所述EC-WPT系统的约束条件，包括：

G1:根据应用场合确定直流输入电压E

G2:直流负载电阻R

G3:对于所述耦合机构，允许的最大偏移程度决定C

G4:设置允许的输出电压波动幅度ε，ε≤ε

G5:设置ω

一些实施例中，增大工作频率可以减小电路中电感的尺寸，但是会增加开关损耗，同时使得系统鲁棒性变差，增大控制难度。

G6:设置则L

G7:改变k值可以改变极板的激励电压，进而改变系统的输出参数，电容比k满足k

除此之外，在高频下，由于集肤效应，电流磁场驱动电流分布在导线的表面，线圈的电感值及内阻都会跟随频率变化，线圈的品质因数Q＝ωL

S3:根据所述参数设计以及约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型。

根据上述分析可知，输出电压与耦合电容变化无关的EC-WPT系统参数设计的非线性规划模型可表示为式(51)所示：

S4：利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，得到所述EC-WPT系统参数的最优解。

为了得到满足条件的系统最优参数，本申请从种群进化的宏观阶段方面进行考虑，利用非线性规划局部搜索能力强的特点，使用遗传算法与非线性规划相结合的优化方法对系统进行优化。系统参数优化流程图如图4所示。E

结合自适应遗传算法和非线性规划的算法流程如下所述：

种群初始化。选用二进制编码方式对变量C

适应度函数。以ε作为适应度函数，求电压最大变化幅度ε的最小值，其中，函数值与适应度成反比；

选择、交叉和变异。采用“轮盘赌法”进行选择操作，旧群体中适应度值越高的个体被选中的概率越大，被选中的个体组成新的种群，继续繁殖得到下一代个体。采用单点交叉法和单点变异法依次进行交叉和变异操作；

非线性寻优。调用MATLAB中fmincon函数定义非线性函数进行非线性局部寻优，并把所得到的局部最优值作为新个体染色体继续进化，其中，遗传算法每进化10代，以所得到的结果为初始值；

S15终止条件。设置终止代数为100，适应度函数值偏差为10

根据优化得到的C

本申请涉及一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化方法及系统，属于无线电能传输技术，以双边LC补偿的EC-WPT系统为对象，建立系统输出电压模型；根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统参数的约束条件；根据所述参数的约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型；利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，最终得到所述EC-WPT系统参数的最优解。

一些实施例中，为了验证较大耦合电容变化及负载变化条件下系统保持恒压输出特性的参数设计方法的正确性，根据图4优化流程给出一组EC-WPT系统参数，并根据图5在MATLAB中建立系统的仿真模型对系统恒压输出特性进行验证。

假设使用利兹线绕制的线圈品质因数Q值为450，电压E

表1系统参数

当C

C

通过仿真得到的C

本申请提供的一种基于恒压输出的EC-WPT系统参数优化系统包括：

模型初始化模块，用于基于双边LC补偿EC-WPT系统，建立系统输出电压模型；

模型构建模块，用于根据所述系统输出电压模型，以实现系统输出电压与预设区间内的耦合电容值无关和与负载大小无关为目标，确定所述EC-WPT系统的约束条件；以及根据所述约束条件，建立EC-WPT系统参数的非线性规划模型；

模型优化模块，用于利用遗传算法与非线性规划方法对所述非线性规划模型进行优化，得到所述EC-WPT系统参数的最优值。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。