基于统一参数模型的电能与信号并行传输WPT系统参数优化方法

摘要

磁耦合无线电能传输（Magnetic coupling-Wireless Power Transfer,M-WPT）技术以磁场作为传输媒介，实现电能由电网或电池端到负载端的无接触传输。M-WPT技术因其具有技术成熟、系统稳定，且对电磁环境的影响较小等特点，成为工程技术领域的研究热点，在家用电器、生物医疗、电动汽车等多个领域得到了广泛应用。　　随着M-WPT技术的发展及推广应用，在实现电能无线传输的同时，为了提升传能系统性能指标和更可靠的运行，往往需要进行原副边的信息交互，无线电能与信号并行传输(Wireless Power and Signal Transfer，WPST)技术也应运而生。WPST技术即在M-WPT系统中电能耦合的同时实现信号的并行传输。WPST技术中的共享通道式WPST技术因电能与信号通过同一耦合机构实现传输而得到更多科研工作者的关注。　　本文对一种共享通道式WPST系统—基于部分能量线圈实现全双工信号传输的M-WPT系统提出一种多约束条件下的多目标优化参数设计方法。本文在分析所研究系统中的电能传输通道和信号传输通道各部分组成及原理的基础上，基于阻抗分析法建立了共享通道式WPST系统统一参数模型，并针对其中的信号谐振电路展开研究，通过传递函数建立数学关系式，确定系统参数与性能指标之间的关系式。　　针对共享通道式WPST系统统一参数模型，分析该系统的约束条件、决策变量及目标函数，以NSGA-II算法作为内核，提出面向针对多约束条件下的多目标参数设计方法，并对系统关键参数进行优化设计，之后分别对统一参数模型下的半双工和全双工信号传输通道的具体参数进行优化设计。　　最后，在优化设计得到的相对最优解集中选择了一组相对最优解作为仿真参数，对信号传输通道绘制伯德图进行分析，并在Simulink仿真软件中搭建系统仿真模型，对系统中的电能传输通道和信号传输通道仿真验证，验证了所提参数设计方法的有效性。

目录

目 录

1 绪论

1.1论文研究背景

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 M-WPT系统的能量信号并行传输技术概述

2.1 无线射频技术原理及概述

2.2 线圈耦合式WPST系统原理概述

2.2.1 独立信号线圈耦合式

2.2.2 共享通道式

2.3 本章小结

3 基于部分线圈的电能与信号并行传输系统

3.1 系统介绍

3.2 系统原理分析

3.2.1 系统电能传输原理

3.2.2 系统信号传输原理

3.3 系统统一参数计算模型

3.3.1 电能传输通道数学模型

3.3.2 信号传输通道数学模型

3.3.3 电能对信号传输的影响

3.4 主要性能参数指标

3.4.1 电能传输通道主要参数指标

3.4.2 信号传输通道主要参数指标

3.5 本章小结

4 电能与信号并行传输系统参数优化模型

4.1 引言

4.2 能量信号并行传输系统的统一参数模型的参数优化

4.2.1 NSGA-II算法

4.2.2 决策变量

4.2.3 目标函数

4.2.4 约束条件

4.2.5 模型求解

4.3 信号传输通道参数优化

4.3.1 半双工通信回路

4.3.2 全双工通信回路

4.4 本章小结

5 仿真分析与验证

5.1 系统仿真分析

5.2 电能传输通道仿真

5.3 信号传输通道仿真

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目

C. 作者在攻读硕士学位期间获奖情况

D. 学位论文数据集

致 谢