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無線電能傳輸技術的飛速進步和電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使得電動汽車無線充電技術成為學術界和工業(yè)界的研究熱點。當前，關于無線電能傳輸技術的研究大多集中在輸出特性分析、傳輸效率提升、信號傳輸方法及電磁環(huán)境安全評估]等方面，且主要針對單向傳輸系統(tǒng)（即電能只能從電網(wǎng)流向車載電池）。

而隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及車聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，電動汽車將作為未來智能配電網(wǎng)中一類重要的移動式儲能系統(tǒng)。雙向無線電能傳輸（Bidirectional Wireless Power Transfer，BWPT）系統(tǒng)以其便利性和互動性，使用戶樂意參與到電網(wǎng)削峰填谷等調(diào)控行為，對提升未來能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性和智能性起到重要作用。

關于BWPT系統(tǒng)，目前國內(nèi)研究較少。文獻[10]仿真分析了多負載傳輸系統(tǒng)中電能雙向流動的控制策略。文獻[11]對適用于BWPT系統(tǒng)的三種諧振拓撲特性進行了比較分析。國外以奧克蘭大學U. K.Madawala和佛羅里達國際大學O. A. Mohamed研究團隊為代表，研究集中在系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、傳輸特性的分析、控制信號的同步方法及能量雙向流動的功能實現(xiàn)等方面。

在控制策略方面，由于BWPT系統(tǒng)控制自由度較多，而不同自由度的選取和組合會影響系統(tǒng)變換器和傳輸線圈的損耗分布及大小，進而影響系統(tǒng)整體效率。因此，如何通過多個控制自由度間的協(xié)調(diào)組合提升系統(tǒng)整體效率，是BWPT系統(tǒng)控制的關鍵問題。

文獻[17]提出“發(fā)射端變換器工作在高頻逆變模式，接收端變換器工作在不控整流模式”的思路，其問題在于線圈間傳輸效率受負載變化影響較大，不適用于寬負載范圍運行，且不能實現(xiàn)能量流動方向的平滑切換。文獻[18]分析了負載變化時維持線圈間較高傳輸效率的約束條件，但未考慮變換器損耗的影響。文獻[19]計及了變換器損耗對系統(tǒng)效率的影響，但優(yōu)化目標仍是線圈間傳輸效率，并未對變換器運行狀態(tài)進行分析和優(yōu)化。

針對以上問題，本文著眼于BWPT系統(tǒng)整體效率，從一次、二次變換器的優(yōu)化運行和線圈間傳輸效率的提升兩個方面對BWPT系統(tǒng)運行狀態(tài)進行優(yōu)化。本文首先分析了三個控制自由度對于一次、二次變換器運行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響，推導了實現(xiàn)變換器優(yōu)化運行和傳輸效率提升的約束條件。

在此基礎上，針對上述優(yōu)化運行條件，對系統(tǒng)各部分損耗及整體效率進行估算，并提出一種實現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化的控制策略。搭建了相應的仿真和實驗平臺，實驗結果驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統(tǒng)控制策略的結果對比表明，所提方法能進一步優(yōu)化BWPT系統(tǒng)運行狀態(tài)，提升系統(tǒng)整體效率。

圖8 BWPT系統(tǒng)實驗平臺

圖11兩種控制方案的系統(tǒng)整體運行效率對比

結論

針對雙向無線電能傳輸系統(tǒng)，本文主要研究了如何通過系統(tǒng)中三個控制自由度的協(xié)調(diào)組合，對BWPT系統(tǒng)的運行狀態(tài)和整體效率進行優(yōu)化的控制策略。與現(xiàn)有研究中僅關注線圈間傳輸效率不同，本文的優(yōu)化目標同時著眼于變換器的運行狀態(tài)和系統(tǒng)整體效率。首先分析了BWPT系統(tǒng)中三個控制自由度對變換器運行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響，得到了實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行的約束條件。

在此基礎上，推導了一套系統(tǒng)整體效率的估算方法，并提出了一種實現(xiàn)BWPT系統(tǒng)效率優(yōu)化的多自由度組合控制策略。仿真和實驗結果證實了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統(tǒng)控制策略的對比結果表明，在寬負載范圍運行時，所提控制方案能進一步提升BWPT系統(tǒng)整體效率。本文工作有助于BWPT系統(tǒng)的優(yōu)化設計、運行狀態(tài)分析及工作模式選擇。