大功率无线电能传输系统效率最优控制策略研究

Aimed at the low efficiency problem in classic wireless power transfer technology, the project will propose a efficiency optimum control strategy for high power applications. The key science problems which the project will concern are comprehensive optimization with maximum efficiency tracking,multi control aims, adaptability for instantaneous overload, dynamic energy feedback and energy dynamic push. The main aim of this project is to fulfill load energy requirement with minimum power losses and guarantee system running at optimum efficiency points on arbitrary load condition. The project will propose a robust optimization control method which will take efficiency, power transfer capability, quality of resonant waveform and system stability as control aims. The project will propose a impulse energy power transfer method with super-capacitors to solve the instantaneous overload problem. For the energy dynamic feedback problem, the project will propose a soft switching points switching method to realize voltage lift up. For the dynamic energy push problem, the project will propose a dynamic load parameters recognition method to acquire load energy requirement and propose accordingly energy push strategy. The project will overcome the system complexity brought by high order, autonomous, multi modes and fusion of electrical circuit and magnetic field and propose a optimization controller design method for best system performance. And the control method will replace classic single control aim control method and push the wireless power transfer technology forward.

针对传统无线电能传输方式所存在的低工作效率问题，研究在大功率应用中面向负载动态需求的效率最优控制策略，考虑最大效率点跟踪、多目标的综合优化、瞬时过载的适应性、动态能量回馈、能量动态推送等关键科学问题，实现以最小的能耗代价满足负载的供能需求，保证系统在任何负载条件下均工作于最优效率点。其中，针对多目标的综合优化问题，提出以效率、功率传输能力、波形质量与稳定性为目标的鲁棒综合优化控制方法；针对瞬时过载问题，提出基于超级电容的能量冲击式供能方法；针对动态能量回馈问题，提出利用复合谐振的多软开关工作点切换实现电压泵升的方案；针对能量动态推送问题，提出基于能量的负载需求动态辨识方法及能量推送控制策略。本项目的研究将克服无线电能传输系统的高阶、自治、多模态及电磁综合非线性特性影响，提出一套综合性能优化控制器设计方法，解决传统控制方法仅能实现单目标控制的缺陷，推动无线电能传输技术在大功率应用中的发展

传统无线电能传输方式存在着低工作效率问题，限制了在大功率系统中的应用。本项目研究了面向负载动态需求的效率最优控制策略，考虑最大效率点跟踪、多目标综合优化、瞬时过载的适应性、动态能量回馈、能量动态推送等关键科学问题，实现以最小的能耗代价满足负载的供能需求，保证了大功率的系统在任何负载条件下均能工作于最优效率点。本项目提出的关键性技术包括：.1 针对系统的负载特性呈现出急剧变化特性，最大传能点跟踪困难等问题，提出了基于双目标的最大功率及效率跟踪方法。该方法可实现在动态追踪最大功率或最大效率的同时保证输出的稳恒性。在此基础上，提出阻抗匹配范围拓展方法，至少3倍以上阻抗匹配范围拓展，有效增强了对动态传能中负载急剧、大幅度变化的适应性。.2 针对无线电能传输系统高阶、非线性以及强耦合等复杂特性，提出基于拓扑筛选及参数优化的全局多目标设计方法。建立了归一化系统电路模型，提出了综合性能对比分析算法，结合提出的多目标鲁棒优化设计，可以在完成多目标设计的同时具有较大参数偏移容忍度。 .3针对系统结构复杂，参数不确定度较大、阶数较高所带来的系统综合控制方法较为困难问题，提出基于虚拟变换器的多目标鲁棒综合控制方法，通过构造虚拟变换器解决移相变换器与综合控制器的转换问题，考虑多参数不确定性与多目标性能需求，提出了鲁棒综合控制器设计方法.4 针对大功率系统动态充电过程功率不足问题，提出基于双激励单元的动态能量传输模式下功率提升方法，在动态充电过程中能实现超过3倍的功率传输。同时，针对传统“广播式”供能方式所带来的低工作效率问题，给出效率最优的能量最优化推送机制。.基于以上研究成果，开发了30kW的实验系统样机，并在电动汽车无线充电装置进行了应用。共发表学术论文32篇，其中SCI收录论文9篇，EI检索论文20篇，获得重庆市科学技术发明奖1项，中国电源学会科技进步二等奖1项，专利12项，其中发明专利10项、实用新型专利2项