一种适用于高阶补偿无线电能传输系统的通用调谐解耦控制策略

摘要：无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）所使用的高阶补偿拓扑在实际应用中面临耦合系数变化、负载波动等问题，导致系统效率下降和控制复杂性增加。本文提出了一种适用于高阶补偿无线电能传输系统的通用调谐解耦控制策略，采用扰动观察法改变双

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）所使用的高阶补偿拓扑在实际应用中面临耦合系数变化、负载波动等问题，导致系统效率下降和控制复杂性增加。本文提出了一种适用于高阶补偿无线电能传输系统的通用调谐解耦控制策略，采用扰动观察法改变双边可调电容（Switch-Controlled Capacitor, SCC）数值，实现原边和副边谐振参数的自适应调整，保持系统谐振状态，有效提高传输效率和稳定性。

研究背景

无线电能传输技术通过电磁场实现电能的无接触传输，具有安全、便捷和灵活的优点，广泛应用于电动汽车、消费电子和医疗设备等领域。实际应用中难免发生耦合机构参数偏移现象，导致线圈自感波动，使得WPT系统出现频率失谐问题，从而影响其传输特性及运行稳定性。

传统控制方法多依赖特定拓扑，控制复杂，且对参数变化的鲁棒性不足。针对这些问题，亟需一种通用的调谐与解耦策略，以适应多种高阶补偿拓扑，提升WPT系统的工程实用性。

论文所解决的问题及意义

本文为提升高阶补偿WPT系统双边频率调谐控制方法的普适性和自适应性，提出了一种通用型调谐解耦控制策略。该控制策略提高了系统效率和稳定性，并在动态负载和线圈偏移工况下保持优异性能。研究成果为WPT系统的规模化应用提供了技术保障，推动了无线充电领域的实用化进程。

图1 双边调谐LCC/LCC WPT系统

论文方法及创新点

1、通用调谐解耦控制策略

基于电路理论构建了高阶补偿WPT系统的等效电路模型，着重分析了高阶补偿WPT系统双边谐振状态的电气特征，提出了通用调谐解耦控制策略。该方法通过检测电流来动态调整电容值，使系统始终工作在谐振状态，适应多种拓扑，而无需针对每种拓扑重新设计控制策略。

图2 原边调谐控制策略

图3 副边调谐控制策略

2、扰动观察算法

高阶WPT系统双边均采用扰动观察法来寻找各自最优的补偿电容值，以满足谐振特征，从而实现对高阶补偿WPT系统双边谐振参数的自适应调整。

图4 扰动观察法流程图

3、结果分析与试验验证

搭建了180W LCC/LCC WPT系统实验平台，通过调节双边SCC来完成调谐。在偏移情况下，相对于无调谐系统，有调谐系统的传输效率更高。此外，双边调谐控制的系统传输效率比原边调谐的系统要高，证明了对WPT系统进行双边调谐控制的有效性和必要性。

图5 双边调谐LCC/LCC WPT系统实验平台

图6 不同传输距离下传输效率受偏移工况的影响(a) D=8cm (b) D=10cm

结论

1）在传输距离分别为8cm和10cm的偏移工况下，双边调谐控制分别能够最大提升4.21%和2.91%的效率，最大传输效率达到了93.1%。

2）该方法能有效抑制因耦合机构参数漂移和线圈自感波动而引起的频率失谐问题，可有效提升WPT系统的传输效率和稳定性。

团队介绍

电力电子与电机控制研究团队依托“多能协同控制技术”湖南省工程研究中心，拥有教授5名、副教授2名和讲师5名，面向国家及地方需求，主要从事电磁能变换与装置、新型电力系统的高效电能变换技术、人工智能与电气应用、电机设计及驱动等领域的科研工作。

团队负责人为谭平安教授，先后主持/参与国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金，湖南省教育厅项目和企业产学研合作项目等38项，已在IEEE TIE、IEEE TPEL、IEEE TIA和电工技术学报等刊物上发表论文40余篇，指导硕士研究生获得湖南省优秀硕士学位论文3篇。

谭平安，教授，博导，现任湘潭大学自动化与电子信息学院副院长、电气工程专业学位硕士点负责人，“多能协同控制技术”湖南省工程研究中心副主任，中国电工技术学会高级会员，中国电源学会电磁兼容专业委员会常务委员，主要从事电力电子系统与控制，无线电能传输技术，电磁感应加热，人工智能与电气应用等领域的研究及开发工作。