基于改进粒子群算法的无线充电系统参数优化_王成亮.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：基于LCC-S型补偿拓扑的磁耦合谐振式无线充电（MCR-WPT）系统，建立其数学模型，从工作频率、补偿电感和负载阻抗三个方面分析其对系统传输性能的影响。针对目前高阶补偿拓扑的参数难以达到最优配置的问题，以提高系统的传输效率为优化目标，以输出功率为约束条件，建立其优化模型，对高阶非线性参数最优配置问题进行优化。为避免优化结果陷入局部最优，提出一种基于种群进化的混合粒子群优化（HPSO）算法，并基于LCC-S型无线电能传输（WTP）系统优化模型对传统的粒子群算法和改进的算法进行仿真对比。结果表明改进的粒子群算法可有效地避免优化结果陷入局部最优。最后，搭建了无线充电系统实验平台，对系统的工作频率特性和负载阻抗特性进行实验分析，实验结果与理论分析和仿真优化结果一致。关键词：无线电能传输；补偿拓扑；粒子群算法；非线性优化中图分类号：TM724文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24024Parameter Optimization of Wireless Charging System Based on Improved PSO AlgorithmWANG Chengliang1，PAN Zhixin1，ZHAI Xuefeng1，XIAO Yuhua2，LIU Yu2（1.Jiangsu Fangtian Electric Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211100，Jiangsu，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210024，Jiangsu，China）Abstract:The mathematical model of magnetic coupled resonant wireless power transfer（MCR-WPT）system based on LCC-S compensation topology was established.Meanwhile，the influence on the transmissionperformance of the system was analyzed from three aspects：operating frequency，compensating inductance andload impedance.Aiming at the problem that the parameters of higher-order compensation topology are difficult toachieve the optimal configuration，taking improving the transmission efficiency of the system as the optimizationobjective，and taking output power as the constraint condition，the optimization model was established to optimizethe optimal configuration of high-order nonlinear parameters.A hybrid particle swarm optimization（HPSO）algorithm based on population evolution was proposed to avoid the optimization result falling into local optimum.The traditional PSO algorithm and the improved algorithm were simulated and compared based on the LCC-S typewireless power transfer（WTP）system optimization.The result shows that the improved HPSO algorithm caneffectively avoid the optimization result falling into local optimum.Finally，the experimental platform of WPTsystem was built，and the operating frequency characteristics and load impedance characteristics of the system wereanalyzed experimentally.The experimental results are consistent with the theoretical analysis and simulationoptimization results.Key words:wireless power transmission（WTP）；compensation topology；particle swarm optimization（PSO）；nonlinear optimization基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目（J2020008）作者简介：王成亮（1981），男，硕士，高级工程师，Email：王成亮，等基于改进粒子群算法的无线充电系统参数优化王成亮1，潘志新1，翟学锋1，肖宇华2，刘玙2（1.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211100；2.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210024）与传统有线充电方式相比，无线电能传输（wireless power transfer，WPT）避免了充电接口反复插拔，更加灵活安全。近年来，无线电能传输技术快速发展，在功率、距离和效率等传输性能上不断突破，在电动汽车、手机充电和植入性医疗设备等领域具有广阔的应用前景1-3。磁耦合谐振式无线电能传输（magnetic coupled resonantwireless power transfer，MCR-WPT）系统因具备大功率、高效率的优点，近年来被广泛研究4-7。该系统中原边、副边线圈均需要补偿拓扑以提高传64王成亮，等：基于改进粒子群算法的无线充电系统参数优化电气传动 2023年 第53卷 第3期输性能，而补偿拓扑的选择与参数优化均影响系统的传输性能。文献8分析了传统的串联型（S型）和并联型（P型）为组合的低阶补偿拓扑，提出了无线充电系统低阶补偿拓扑参数优化的方法。文献9采用遗传算法对无线充电系统的低阶补偿拓扑参数进行了参数优化配置，实现了满足电压增益下的最远传输距离，但对系统的最低传输效率并未做出限制。文献10采用传统的粒子群优化（particle swarm optimization，PSO）算法以S-S型补偿拓扑为对象，以系统的传输效率为优化目标，同时考虑了传能线圈的趋肤效应与临近效应。文献11通过对LCC-S型补偿网络参数配置和工作频率设置，实现了系统在不同工作模式下可以实现恒压或恒流输出的特性，但对系统的传输功率并未做出特定约束。与低阶拓扑相比，高阶拓扑可变参数更多，在其数学模型中呈现出非线性特点，这为系统的参数设计与优化配置带来了一定的困难。在以往人工设计的过程中很难得到系统最优的参数配置，尤其是在含有多种约束条件的情况下，传统的参数配置方法往往会捉襟见肘，无法达到最优配置。因此，以LCC-S型高阶补偿拓扑为研究对象，对其进行建模分析，并提出适用于高阶非线性模型的参数优化算法，使得系统传输性能达到最优。1LCC-S型WPT系统建模LCC-S型谐振拓扑的等效电路如图1所示。图 1中 UIN为谐振网络的输入电压；L1，L2分别为一次侧发射线圈与二次侧接收线圈的自感；R1，R2分别对应两个线圈的寄生电阻；Lp为一次侧补偿电感，作为可调节的关键参数，可用以调节系统的输入电流；Rp为补偿电感的寄生内阻；Cp为一次侧补偿电容；C1，C2分别为一侧网络和二次侧网络的谐振电容；M为线圈的耦合互感；RL为负载侧等效电阻，负载等效内阻与电路的匹配程度影响着系统的传输效率。图1LCC-S型WPT系统等效电路Fig.1Equivalent circuit of LCC-S WPT system根据KVL方程，求解得系统阻抗为|ZS=jL2+1/(jC2)+R2+RLZr=-jMI2I1=-jMIPjMI1ZS=2M2ZSZIN=RP+jLP+1/(jCp)1/(jC1)+R1+jL1+Zr1/(jCP)+1/(jC1)+R1+jL1+Zr（1）式中：ZS为系统的二次侧阻抗；Zr为二次侧在一次侧的反应阻抗；ZIN为等效为T型网络后系统的输入阻抗。设系统的谐振频率为0，则有：|0L2=10C20Lp=10CP0L1-10C1=10CP（2）在谐振状态下，忽略寄生参数，可得输出功率POUT和传输效率：POUT=(02LPM)2U2INRL|ZIN|(RP+|Zr|)(R2+RL)2（3）=(02LpM)2RL|ZIN|(RP+|Zr|)(R2+RL)2 100%（4）与低阶补偿拓扑相比，当元件参数存在一定的偏差时，对系统的输出性能影响不大，可以联合调整发射端处的补偿电感与负载端处阻抗匹配电路参数调节系统的输入输出增益，因而系统工作在谐振点附近时可获得较高的效率。2系统传输特性分析基于互感原理建立了无线电能传输系统LCC-S型拓扑的数学模型，下面从频率、阻抗和补偿电感三个方面探究系统的传输特性。参照SAEJ2954 车用无线充电标准建立 LCC-S 型WPT 系统仿真模型，各物理量标示在图 1 中给出，其具体参数设置为：L1=70.31 H，L2=71.56H，RP=R1=R2=0.15，RL=3.6，M=11.75 H，UIN=400 V，系统谐振频率设置为f0=85 kHz。图 2 为系统工作频率对传输特性的影响曲线。当系统工作在谐振频率附近时，系统工作在全谐振状态，此时损耗最少，传输效率到达最大值（96.25%），传输功率在谐振频率达到极值点（4.25 kW），但并未达到传输功率的最大值，故在进行系统频率参数优化配置时需要兼顾传输效65王成亮，等：基于改进粒子群算法的无线充电系统参数优化电气传动 2023年 第53卷 第3期率和传输功率，在两者之间达到目标要求的平衡。图2传输特性与工作频率的曲线图Fig.2Curves of operating frequency and transmission characteristic研究系统的补偿电感对传输特性的影响，对于LCC型拓扑网络，系统发射端的补偿电感Lp应小于发射线圈的自感L1，在仿真中设置Lp=pL1（0p1）。根据Lp同时调整Cp和C1的值，使得系统工作频率稳定在85 kHz并保持在谐振状态，输出功率与传输效率随补偿电感的变化关系如图 3所示。从图3可以看出，起初系统的传输效率随补偿电感增加而迅速增加，在达到某一临界值后，传输效率的增加愈发平缓。输出功率在增加到某一临界值后迅速减小，系统存在输出功率最大值。因此，在参数设计时有必要对补偿电感的值进行优化配置，使其满足系统的传输性能。图3传输特性与补偿电感的曲线图Fig.3Curves of compensating inductance andtransmission characteristic在实际的无线充电应用中，由于充电对象的状态时常发生变化，负载阻值常在一定范围内波动。设系统工作在谐振频率，负载RL=0100，仿真参数与上文相同，图4为系统在全谐振状态下传输性能随负载阻值变化关系。从图4可以看出，当系统在全谐振状态下时，起初系统的传输效率随负载阻值增大而迅速增加，在效