灵活高效的电场耦合无线电能传输系统关键技术研究

Electrical-field coupled power transfer (ECPT) is a novel technology designed for delivering power wirelessly via high frequency electrical field. In this project, to achieve wireless power transfer with high flexibility and high efficiency via electrical field coupling, key technologies of ECPT system will be investigated on the topics of electrical field coupled structure, power converter topologies and parameter optimization, dynamic behavior analysis, robust synthesis control and improvement of system performance. For the low electric flux density and the existence of the leakage and cross coupling of electric fringe field caused by the increase of the distance between the coupled electrodes, the relationship between the geometry characteristic parameters and the electric flux density will be investigated and a coupling structure with asymmetric embossing surface will be proposed to realize the high efficiency coupling. To solve the problem in relation to the contradictory between the demands of high-frequency and high-voltage on the coupling structure and low voltage constraint on the switches, a power converter topology will be proposed and a parameter optimization method for multiple objectives of the power converter control will be introduced based on composite artificial intelligence theories. Due to the high order nonlinear characteristics, an systematical modeling and analysis method will be proposed which can provide theoretical guidance to the system analysis and design. For solving the poor-stability problems caused by parameter uncertainty, multi-objective robust synthesis control and performance improvement methods will be proposed. The research results of the project will help to establish the fundamental theories of ECPT and the development related subjects and technologies.

电场耦合电能无线传输（ECPT）技术是以高频电场为媒介实现电能无线传输的新技术。本项目围绕电场耦合机构、电能变换拓扑及参数优化、系统动力学分析、鲁棒综合控制与系统性能提升等方面展开研究，实现电场耦合模式下的灵活、高效无线传能。针对耦合机构扩距引起的电通量密度低及边缘电场泄漏与交叠问题，研究电极几何特征参量与耦合机构电通量密度的关系，提出一种具有非对称压纹面的耦合机构，实现电场的高效耦合；针对耦合机构高频高压激励需求与高频开关器件低压需求之间相互制约矛盾，提出一种电能变换拓扑，并给出基于复合型人工智能理论的电能变换器多目标参数优化方法；针对高阶非线性特性，提出一种系统整体建模分析方法，为系统分析和设计提供理论指导；针对系统参数不确定性引起的稳定性较差的问题，提出一种多目标鲁棒综合控制及性能提升方法。本项目的成果将推动电场耦合无线电能传输技术基础理论体系的完善，推广其应用并促进相关学科发展。

本项目以高效、灵活、稳定的电能无线传输为目标，围绕电场耦合电能传输（ECPT）系统耦合机构性能提升、电能变换拓扑构建及参数优化、系统建模及动力学分析、多目标鲁棒综合控制及系统综合性能提升等关键问题展开了研究。在拓扑构建、参数优化与耦合机构方面，提出了多种复合谐振式ECPT系统拓扑，建立了系统模型，给出了系统参数设计方法，实现了在所允许的负载变化范围内，系统的输出特性基本不受负载变化的影响；提出了一种F型补偿的ECPT系统拓扑并给出了参数设计方法，实现了在负载投入时，系统能够高效稳定地为负载传输需要的功率，在负载移除后工作在低功耗待机状态，提升了系统的灵活性、可靠性和负载自适应能力；针对能量与信号并行传输的ECPT系统，给出了一种在多约束条件下，以电能传输通道增益、信号传输通道增益和电能串扰增益综合最佳为目标的系统参数优化方法，提升了ECPT系统能量与信号并行传输性能；针对耦合机构传输性能的提高及系统安全性问题，提出了一种层叠式耦合机构，建立了耦合机构的数学模型，给出了极板电压的计算表达式，并提出了一种以抑制系统漏电场为目标并兼顾系统传输性能的系统参数设计方法。在多目标鲁棒综合控制、性能提升与系统动力学行为特性分析方面，针对 LCL 复合谐振型 ECPT 系统的参数敏感性较高的问题，建立了系统的电压增益模型，分析了负载品质因数、LCL 网络电感比值和电容比值对系统电压增益的影响规律，实现了高阶 ECPT 系统的低参数敏感性运行，为 ECPT 系统的实际应用提供了理论指导；提出了一种基于NSGA-II算法的ECPT系统PID控制器最优参数设计方法，提升了系统的动态性能、鲁棒性和稳定性；提出了一种共享通道式的能量与信号并行传输系统拓扑以及同端干扰信号抑制方法，实现了电能与信号的串扰隔离及抑制，有助于系统实现更好的控制，同时还解决了发送端和接收端信息交互的问题。本项目的研究成果形成了较为系统的ECPT系统基础理论及技术实现体系，为促进ECPT技术的工程应用奠定了理论基础。