- 頭條南京理工大學專家發布無線電能傳輸系統最優接收半徑的研究成果2022-06-28 作者：聞楓、荊凡勝 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語南京理工大學自動化學院、國網江蘇省電力有限公司檢修分公司、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員聞楓、荊凡勝、李強、趙文翰、朱雪瓊，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，研究了磁諧振式無線電能傳輸系統的磁通與接收線圈內半徑的變化規律，提出最優接收半徑的概念，并探究無線電能傳輸系統最優接收半徑和影響參數，以提升無線電能傳輸系統的傳輸性能。
隨著無線電能傳輸技術的發展，更大的傳輸功率、更高的傳輸效率和更長的傳輸距離一直是科研工作者追求的目標。磁諧振式無線電能傳輸技術（Magnetic Resonant Wireless Power Transfer, MR-WPT）的出現使得大功率、遠距離的無線充電成為可能，為此學者圍繞MR-WPT開展了眾多研究，頻率跟蹤控制技術、最優負載匹配的最大效率跟蹤技術等相繼被提出，皆在追求最佳的傳輸性能，但是這些技術都需要在WPT系統本體之外附加控制電路，實現手段相對復雜。
針對MR-WPT傳輸性能的研究，國內外有很多學者圍繞無線傳輸系統的本體結構進行優化。國玉剛等分析了LCC-S型無線電能傳輸系統的特性以及優化配置，并基于多目標遺傳算法對網絡參數進行優化，改善各個工作模型下的傳輸性能，但是該文僅研究了對補償網絡的優化配置。蘇玉剛等針對電場耦合式無線電能傳輸系統提出一種自適應遺傳算法優化方法，對互補對稱的LCC諧振形式系統的參數進行配置，以提升傳輸效率，但是此方法只限于雙側LC網絡的WPT系統。
有學者研究了非平面接收線圈WPT系統的優化，提出了角度分裂的概念，并解釋該現象的發生是由于接收線圈的最優尺寸造成的，但并沒有深入探究影響接收線圈最優尺寸的因素及變化規律。董維豪等設計了基于BP神經網絡的自動阻抗匹配系統，可以較好地提升阻抗匹配的準確度和速度。因此，結合智能優化算法，對WPT系統的本體參數進行最優化設計，可以較好地提升系統的傳輸性能。
對WPT系統合理地配置參數是建模優化的基礎，最優接收半徑是WPT系統固有的特性，僅依靠調整接收線圈內半徑的尺寸便可以在無附加電路的基礎上提高傳輸功率，而對最優接收半徑的研究，包括形成原因、影響因素、規律分析和仿真實驗等鮮有參考。
對此，南京理工大學自動化學院、國網江蘇省電力有限公司檢修分公司、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員研究了不同線圈結構和參數下的最優接收線圈尺寸，確定了其影響參數，并利用改進BP神經網絡對影響參數進行精確預測。
圖1 最優接收半徑驗證實驗
他們首先理論分析得到了接收線圈的磁通隨其內半徑的變化曲線，提出了最優接收半徑的概念。然后分析了平面方形、平面盤式和空間螺旋形三種結構的發射線圈WPT系統中，最優接收半徑隨系統參數的變化規律，確定了最優半徑的影響參數：發射線圈匝數、匝間距、外半徑以及傳輸距離。
為精確量化不同參數下的最優半徑值，研究人員采用遺傳算法改進BP神經網絡對最優半徑隨影響參數的變化情況進行學習，輸出給定參數下的最優半徑預測值，經測試改進后的BP神經網絡，決定系數提高了60.16%，誤差降低到2%左右，實現了較高精度的預測。
仿真和實驗證明了優化后的BP網絡對最優半徑的預測能力和最優接收半徑的存在，最優半徑的仿真值與預測值的偏差僅為5.43%，且在最優半徑下副邊接收到的功率達到最大值，可以最大程度地提升WPT系統的傳輸性能。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于改進BP神經網絡的無線電能傳輸系統接收線圈參數優化”，作者為聞楓、荊凡勝 等。
