LCC-S无线充电仿真磁耦合谐振无线电能传输研究（Simulink仿真实现）

原创于 2025-08-11 09:29:20 发布 · 900 阅读

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💥1 概述

LCC-S无线充电仿真中磁耦合谐振无线电能传输的研究

一、研究背景与意义

磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）技术利用电磁场近场范围内的磁场共振实现能量的高效传输，具有传输功率大、传输效率高和传输距离远等优势。在电动汽车无线充电、移动设备供电、工业机器人充电等领域具有广阔的应用前景。LCC-S型补偿拓扑因其原边恒流、副边恒压、拓扑自由度高的特点，在MCR-WPT系统中得到广泛应用。然而，系统输出电压和功率易受外部条件或自身参数变化的影响，导致输出不稳定。因此，研究LCC-S型MCR-WPT系统的传输特性及优化控制策略具有重要意义。

二、LCC-S型MCR-WPT系统基本原理

系统结构
LCC-S型MCR-WPT系统主要由发射端（包括直流电源、高频逆变器、发射侧补偿网络和发射线圈）、接收端（包括接收线圈、接收侧补偿网络、整流器和负载）以及磁耦合机构（发射线圈和接收线圈）组成。发射侧补偿网络采用LCC型结构，由电感L1、电容C1和Cp构成；接收侧补偿网络采用S型结构，仅包含电容Cs。
工作原理
系统通过高频逆变器将直流电转换为高频交流电，经发射侧LCC补偿网络后，在发射线圈中产生高频交变磁场。接收线圈通过磁耦合谐振从磁场中获取能量，经接收侧S补偿网络后，通过整流器将交流电转换为直流电供给负载。LCC-S型拓扑通过合理设计补偿元件参数，可实现原边恒流、副边恒压输出。

三、LCC-S型MCR-WPT系统传输特性分析

输出电压特性
LCC-S型系统的输出电压仅与输入电压、收/发线圈互感和发射侧补偿电感有关，具有恒压输出特性。然而，实际系统中由于元件参数偏差、负载变化等因素，输出电压难以完全恒定。
传输效率与输出功率
系统传输效率和输出功率受工作频率、耦合系数和负载阻抗等因素影响。当系统工作在谐振频率附近时，传输效率达到最大值；输出功率在谐振频率处达到极值点，但需兼顾传输效率和输出功率的平衡。
频率分裂现象
在强耦合条件下，系统可能出现频率分裂现象，导致输出功率和传输效率下降。通过分析接收线圈侧的负载电压，可研究频率分裂现象对系统性能的影响。

四、LCC-S型MCR-WPT系统仿真模型建立

仿真平台选择
采用MATLAB/Simulink或PSIM等仿真软件建立LCC-S型MCR-WPT系统仿真模型。仿真模型应包括高频逆变器、发射侧LCC补偿网络、磁耦合机构、接收侧S补偿网络和整流器等关键部分。
参数设置
根据实际系统参数设置仿真模型参数，如发射线圈和接收线圈的自感、互感、补偿电感、补偿电容、负载阻抗等。同时，设置仿真步长、仿真时间等参数以确保仿真结果的准确性。
仿真模型验证
通过对比仿真结果与理论计算结果，验证仿真模型的正确性。重点验证系统输出电压、传输效率和输出功率等关键指标。

五、LCC-S型MCR-WPT系统优化控制策略

移相控制策略
针对输出电压不稳定问题，采用闭环移相控制策略。通过实时检测输出电压，调整逆变器开关管的移相角，使输出电压恒定。仿真结果表明，采用PI控制器或滑模控制器均可实现输出电压的稳定控制，但滑模控制器具有更好的鲁棒性和响应速度。
阻抗匹配策略
针对负载和耦合系数变化导致传输效率降低的问题，实时检测发射端和接收端的电压、电流信息，计算耦合系数。采用电感电流断续模式（DCM）下的Buck-Boost变换器进行阻抗匹配，通过调节变换器占空比实现最大效率跟踪控制。进一步改进为双接收端结构，在保持输出电压恒定的同时实现最大效率跟踪。
模型预测控制策略
提出基于模型预测控制（MPC）算法的优化控制策略。以副边恒压电路输入电压、电感电流和负载上的输出电压作为控制系统的输入，调整控制恒压电路的占空比，得到稳定的输出电压。仿真结果表明，相比传统的单闭环PI控制，MPC算法使系统在外部条件变化时更快更稳定地达到预期值，具有更好的动态响应。

六、仿真结果与分析

输出电压稳定性分析
通过仿真验证闭环移相控制策略和模型预测控制策略对输出电压稳定性的影响。仿真结果表明，两种控制策略均能有效抑制输出电压波动，使输出电压稳定在设定值附近。其中，模型预测控制策略具有更快的响应速度和更高的控制精度。
传输效率与输出功率分析
分析不同耦合系数和负载阻抗条件下系统的传输效率和输出功率。仿真结果表明，采用阻抗匹配策略后，系统在不同耦合系数和负载阻抗条件下均能保持较高的传输效率；输出功率在谐振频率处达到最大值，且随耦合系数的增加而增加。
动态响应分析
分析系统在负载突变或耦合系数变化时的动态响应特性。仿真结果表明，采用优化控制策略后，系统能快速响应外部条件变化，保持输出电压稳定和传输效率高效。

七、实验验证与结果对比

实验平台搭建
搭建LCC-S型MCR-WPT系统实验平台，包括高频逆变器、发射侧LCC补偿网络、磁耦合机构、接收侧S补偿网络和整流器等关键部分。实验平台参数与仿真模型参数保持一致。
实验结果分析
通过实验测试系统输出电压、传输效率和输出功率等关键指标。实验结果表明，实验结果与仿真结果基本一致，验证了仿真模型的正确性和优化控制策略的有效性。
与理论分析和仿真优化结果对比
将实验结果与理论分析和仿真优化结果进行对比分析。结果表明，实验结果与理论分析和仿真优化结果吻合良好，进一步验证了LCC-S型MCR-WPT系统传输特性及优化控制策略的正确性。

八、结论与展望

研究结论
本文研究了LCC-S型磁耦合谐振无线电能传输系统的传输特性及优化控制策略。通过理论分析、仿真建模和实验验证，得出以下结论：
- LCC-S型拓扑具有恒压输出特性，但实际系统中输出电压易受外部条件或自身参数变化的影响。
- 采用闭环移相控制策略和模型预测控制策略能有效抑制输出电压波动，提高系统稳定性。
- 阻抗匹配策略能显著提高系统传输效率，实现最大效率跟踪控制。
- 仿真模型和实验平台验证了理论分析和优化控制策略的正确性。
研究展望
未来研究可进一步探讨以下方向：
- 研究多负载条件下的LCC-S型MCR-WPT系统传输特性及优化控制策略。
- 探索新型补偿拓扑结构以提高系统传输性能和稳定性。
- 研究无线电能传输系统的电磁安全问题和标准化建设。