CN108768465B - 基于多约束条件下多目标优化的ecpst系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法，首先确定系统电路拓扑结构，并根据实际需求将部分参数预设为常数，剩余的部分参数作为决策变量；接着决定约束条件的边界；然后根据决策变量和约束条件的边界实现种群初始化；然后将电能通道增益、信号通道增益以及电能串扰增益作为目标函数值；以电能通道增益尽可能大，信号通道增益尽可能大以及电能串扰增益尽可能小三者同时作为优化目标，然后利用多约束条件下多目标优化算法对决策变量进行寻优求解；经过多次迭代求得Pareto前沿曲面，最终得到目标函数的最优值及其对应的决策变量值。该方法能得出系统的全局最优参数解，属于一种通用方法，能够适用于不同拓扑的ECPST系统。

Description

基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是一项最早在19世纪末被提出的通过磁场、电场或微波等作为能量传输介质的无直接电气连接的电能传输技术。电能传输技术。由于无线电能传输技术具有灵活性高、便捷以及安全等优势，近年来WPT技术吸引了世界范围内许多专家学者围绕消费电子、电动机、医疗电子、交通设备等应用领域展开理论研究和应用探索。

电场耦合电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer,ECPT)技术是一种常见的WPT技术，该技术利用两对金属极板之间的交变电场作为传输介质进行无线电能传输。与其它的WPT技术相比，ECPT技术具有耦合机构设计灵活度高、体积重量小、可穿越金属障碍物传能、在极板间以及周围的金属中产生的涡流小等优点。基于上述优势，国内外研究团队主要围绕ECPT技术在旋转机构、移动机器人、生物医电、消费电子以及电动汽车等领域的应用展开研究。

对于现有的大部分ECPT技术的应用场合而言，除了需要实现由电源向用电负载的无线供电之外，实现发射端和接收端之间稳定可靠的通信连接也是必不可少的。一方面，设计优良的ECPT系统通常需要具有输出电压反馈控制，负载检测，电池状态监控，自动调谐和多控制器同步等功能，系统原副边之间的通信则有助于实现上述功能需求并提升系统整体性能；另一方面，在实际工程应用中ECPT系统用电设备与原边的数据交互也被广泛需求，例如钻井系统钻头的转速和温度数据向地面控制平台回传以及电动汽车无线充供电系统电池信息回传等，系统原副边信号传输能够满足这类工程需求。目前已有一些文献围绕ECPT系统提出了一些电能与信号并行传输方法，文献[1,2]提出了一种基于共享通道的电能与信号并行传输方法，实现了ECPT系统半双工和全双工通信。该方法中信号支路参数的确定前提为主电路参数已知，信号支路参数通过遍历的方法进行选择。文献[3]提出了一种基于电场耦合和磁场耦合组合的WPT系统，其中磁场链路用于电能传输，信号链路用于信号传输。文献[4]基于FSK信号调制方法实现了ECPT系统的信号传输。但上述方法中关于系统参数设计的方法所得的参数设计结果均不是全局最优解。并且随着ECPT系统阶次的增加，系统参数的设计难度也随之增加。

特别是针对现有的电场耦合电能与信号并行传输(Electric-field CoupledPower and Signal Transfer,ECPST)系统而言，现有的各种参数设计方法并未达到全局最优。

参考文献：

[1]Y.G.Su,W.Zhou,A.P.Hu,C.S.Tang,S.Y.Xie,and Y.Sun,“Full-DuplexCommunication on the Shared Channel of a Capacitively Coupled Power TransferSystem,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.32,no.4,pp.3229–3239,Apr.2017.

[2]Y.-G.Su,W.Zhou,A.P.Hu,C.-S.Tang,and R.Hua,“A Shared Channel Designfor the Power and Signal Transfers of Electric-field Coupled Power TransferSystems,”J.Power Electron.,vol.16,no.2,pp.805–814,Mar.2016.

[3]X.Li,C.Tang,X.Dai,P.Deng,and Y.Su,“An Inductive and CapacitiveCombined Parallel Transmission of Power and Data for Wireless Power TransferSystems,”IEEE Trans.Power Electron.,pp.1–1,2017.

[4]M.Sodagar and P.Amiri,“Capacitive coupling for power and datatelemetry to implantable biomedical microsystems,”in International IEEE/EMBsConference on Neural Engineering,2009,pp.411–414.

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法，通过建立综合考虑电能传输特性、信号传输特性以及电能串扰特性的优化目标函数，以衡量ECPST系统的传输性能，同时建立综合考虑系统合理参数区间以及元件电气特性的优化约束条件，与目标函数一起构建多约束多目标优化模型，最终求解优化模型并给出Pareto前沿集合，从而实现系统参数的全局最优设计。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法，其特征在于按照以下步骤进行：

S1：确定系统电路拓扑结构，即电能与信号并行传输系统电路结构，并根据实际应用场景需求将部分参数预设为常数，剩余的部分参数作为决策变量；

S2：决定约束条件的边界；

S3：根据决策变量和约束条件的边界实现种群初始化；

S4：根据系统电路拓扑结构，利用预设为常数的参数和生成的中间变量值计算目标函数值及其计算过程中的中间变量值；包括：电能通道局部阻抗、信号通道局部阻抗、电能通道增益、信号通道增益以及电能串扰增益；

S5：以电能通道增益尽可能大，信号通道增益尽可能大以及电能串扰增益尽可能小三者同时作为优化目标，利用多约束条件下多目标优化算法对决策变量进行寻优求解；

S6：经过多次迭代求得Pareto前沿曲面，最终得到目标函数的最优值及其对应的决策变量值。

可选地，步骤S1中系统电路拓扑结构是基于双边LCL型ECPT系统构建的ECPST系统，原、副边的信号支路分别由LC元件构成。

可选地，步骤S1中设为常数的参数包括耦合机构的等效电容C_s1和C_s2，负载等效电阻R_ac，信号电源电压

以及信号载波角频率ω_s，直流供电电压E_dc，交流等效电压源

以及电能谐振角频率ω_p。

可选地，步骤S1中作为决策变量的系统待定参数包括原边LCL网络参数L_t，C_t以及L_st；副边LCL网络参数L_r，C_r以及L_sr；原边信号支路参数L_bt和C_bt；副边信号支路参数L_br和C_br；信号检测电阻R_b。

可选地，将系统结构设为对称结构，因此最终选择变量L_t，C_t，L_st，L_bt，C_bt以及R_b构成决策变量向量。

可选地，按照以下方式计算电能通道增益函数G_power：

其中各个中间变量的关系为：

为元件C_t的电压，

为元件R_ac的电压，

为系统能量通道中原边信号支路电压，

为系统能量通道中副边信号支路电压，

为交流等效电压源电压，Z_p1～Z_p4表示电能通道局部阻抗，C_s为等效电容C_s1和C_s2的等效电容值。

可选地，按照以下方式计算电能串扰增益G_cross：

其中中间变量G_p5的运算关系为：

为信号检测电阻R_b电压。

可选地，按照以下方式计算信号通道增益G_signal：

其中各个中间变量的关系为：

表示系统信号通道中原边信号支路电压，

表示系统信号通道中副边信号支路电压，Z_s1～Z_s3表示信号通道局部阻抗。

可选地，根据元件合理取值构成的约束条件表达式为：

式中，L_min，C_min和R_min分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的下限；L_max，C_max和R_max分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的上限。

可选地，设定电感元件的最大电流阈值以及电容元件的最大电压阈值，并将电容元件的端电压以及电感元件的电流引入到约束条件中。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

本发明提出的方法基于交流阻抗理论建立电路模型，将系统电能通道增益、信道增益以及电能串扰增益设置为目标函数，考虑电路器件的电压电流阈值以及元件合理取值范围，给出了优化模型的约束条件表达式。通过多目标优化算法从而得出系统的最优参数解，且该方法能够适用于具有不同拓扑的ECPST系统，是一种通用的参数全局优化方法。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为具体实施例中ECPST的电路拓扑结构图；

图3为图2所示ECPST系统的电能传输通道等效电路图；

图4为图2所示ECPST系统的信号传输通道等效电路图；

图5为具体实施例中多目标优化模型的三维Pareto前沿曲面；

图6为不同电能通道增益下的G_cross-G_signalPareto前沿；

图7为不同信道增益下的G_cross-G_powerPareto前沿；

图8为不同电能串扰下的G_signal-G_powerPareto前沿；

图9为参数优化后的ECPST系统仿真波形。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，一种基于多约束条件下多目标优化的ECPST系统参数设计方法，按照以下步骤进行：

S1：确定系统电路拓扑结构，即电能与信号并行传输系统电路结构，并根据实际应用场景需求将部分参数预设为常数，剩余的部分参数作为决策变量；

S2：决定约束条件的边界；

S3：根据决策变量和约束条件的边界实现种群初始化；

S4：根据系统电路拓扑结构，利用预设为常数的参数和生成的决策变量值计算目标函数值及其计算过程中的中间变量值；包括：电能通道局部阻抗、信号通道局部阻抗、电能通道增益、信号通道增益以及电能串扰增益；

S5：以电能通道增益尽可能大，信号通道增益尽可能大以及电能串扰增益尽可能小三者同时作为优化目标，利用多约束条件下多目标优化算法对决策变量进行寻优求解；

S6：经过多次迭代求得Pareto前沿曲面，最终得到目标函数的最优值及其对应的决策变量值。

为了更加详细的了解本发明的设计原理及技术效果，本实施例以图2所示的ECPST系统为例做进一步介绍。

通过图2可以看出，MOSFET开关管S₁-S₄组成的全桥逆变电路将DC电源电压E_dc转化为高频交变电压，并等效为交流电压源u_p。两对耦合极板等效为电容元件C_s1和C_s2。为了补偿耦合机构较高的电抗，系统原副边均采用LCL补偿电路以提升系统电能传输能力。副边由二极管D₁-D₄组成的全桥整流电路将AC电压转化为直流电压并为负载供电，全桥整流电路以及负载R_L可视为等效电阻R_ac。此外，系统原副边的信号支路分别由LC元件组成用于隔离电能传输对信号支路的影响。电路中

表示信源电压，R_b表示信号检测电阻阻值。

在上述ECPST系统中，部分参数设计取决于具体应用场合并可在优化流程之前确定。例如：耦合机构的等效电容C_s1和C_s2受限于具体应用的尺寸要求；负载等效电阻R_ac取决于具体用电负载；信号源电压

以及信号载波角频率ω_s取决有具体选用的信源模块。此外，应用中的直流供电电压E_dc取决于供电设备，电能谐振角频率ω_p根据工程经验选取。因此上述变量被视为已知量。

当上述已知量确定之后，剩下的变量即视为决策变量：原边LCL网络参数L_t，C_t以及L_st；副边LCL网络参数L_r，C_r以及L_sr；原边信号支路参数L_bt和C_bt；副边信号支路参数L_br和C_br；信号检测电阻R_b，决策变量即为待设计的系统参数。由于系统拓扑的对称性，可知：

[L_t,C_t,L_st,L_bt,C_bt]＝[L_r，C_r，L_sr，L_br，C_br] (1)

因此最终选择变量L_t，C_t，L_st，L_bt，C_bt以及R_b构成决策变量向量：

x＝[L_t,C_t,L_st,L_bt,C_bt,R_b] (2)

为保障ECPST系统电能与信号并行传输能力，本发明选取的目标函数有：电能通道增益G_power，信号通道增益G_signal以及电能串扰增益G_cross。其中最大电能通道增益用于保证相同的电能输入电压情况下系统的输出功率达到最大；最大信号通道增益用于保证相同的信号输入电压情况下信道输出信号幅值最大，即信道衰减最低；最小电能串扰用于保证电能传输对信道的影响降到最低，从而降低信号解调难度并提升信号传输的准确性。

根据电路原理，图2所示的电路可近似为线性电路，并满足叠加定理。当仅考虑电能电源电压

时，信号电源

可视为短路，因此电能通道等效电路图如图3所示。

为简化电能通道增益数学表达式的求解过程，图3所示电路被划分为4部分，各部分阻抗Z_p1-Z_p4为：

随后，电路中局部电压增益关系如公式(4)所示：

其中，

以及

分别为元件C_t，R_ac以及R_b的电压，

为系统原副边信号支路电压。于是电能通道增益函数G_power可表示为：

电能传输对信号传输通道的串扰将影响信号解调的可靠性以及信号支路的电能损耗。根据公式(3)和(4)，信号检测电阻R_b电压

和信号支路电压

的关系可表示为：

于是电能串扰增益可表示为：

类似地，当仅考虑信号电源电压

时，根据线性电路的叠加定理，电能传输电源

可视为短路，于是信号传输通道的等效电路图如图4所示。

为简化信号通道增益数学表达式的求解过程，图4所示电路被划分为3部分，各部分阻抗Z_s1-Z_s3为：

电路中元件的电压电流关系如公式(9)所示：

其中，电压变量

和

表示系统原副边信号支路电压，变量

为信号检测电阻R_b电压，于是信号通道增益函数表达式为：

本发明给出的多目标优化模型的目标函数为公式(5)、(7)和(10)所示的系统性能指标：电能通道增益、信号通道增益、电能串扰增益。即：

min F(x)＝[-G_signal(x),G_cross(x),-G_power(x)] (11)

其中决策变量x如公式(2)所示。此处目标函数G_signal和G_power为越大越优，，因此在具体实施时，取负值以满足通用模型的形式。

多目标优化模型的约束条件包括电路元件的电流电压阈值以及元件取值的合理范围限制。首先，考虑到电感和电容等无功元件的内阻会随着电感值和电容值的增加而增加，而元件内阻的增加将导致系统功率损耗的提升以及系统电能传输效率的降低。故电感和电容元件的取值应被限制在合理范围内，以降低元件内阻的阻值。此外，过大的检测电阻会导致电能串扰增加，而过小的检测电阻会导致信号衰减过大，故电阻元件R_b的取值也应被限制在合理范围内。于是，元件合理取值所构成的约束条件表达式为：

式中，L_min，C_min和R_min分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的下限；L_max，C_max和R_max分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的上限。

约束条件的第二个组成部分为元件电压电流阈值带来的参数约束条件。对于电感元件而言，电流值过大可能导致线圈内阻导致的损耗过大，而电能损耗转化成的热能将带来电感参数温漂、系统安全等问题。故流经电感元件的电流值应被限制在安全范围以下以保证系统的安全稳定运行。对于电容元件而言，常见的电容封装会指定对应的电容耐压值，当电压超过该阈值时，过高的电容端电压将击穿电容元件。故电容元件两端的电压应被限制在合理范围内以保证电容不被损坏。由于图2所示电路图的激励电源包括电能传输电源

以及信号源

故电感电流以及电容电压值应同时取决于两个电源的作用。而一般情况下，电能传输电源值

远大于信号源电压

故电感电流以及电容电压值主要取决于电源u_p的作用。基于图3分析，根据公式(4)和(6)，图中电容元件的端电压引入的约束条件可表示为：

类似地，流经电感元件的电流引入的约束条件可表示为：

式中，U_max和I_max分别是电容元件的最大电压阈值以及电感元件的最大电流阈值。

多目标参数优化模型的求解过程可分为以下三个部分：常数确定、多约束多目标优化以及结果输出。按照图1所示的设计流程，首先根据实际的ECPST系统所使用的直流电压源、全桥逆变电路以及信号源，确定直流电压源电压E_dc、逆变器工作角频率ω_p、信号源载波电压幅值

以及信号载波角频率ω_s。同时，根据ECPST系统的耦合机构和负载确定耦合机构等效电容C_s1和C_s2以及负载等效电阻R_ac。随后根据工程经验确定约束条件中所包含的参数取值以及电压电流边界条件：L_min，L_max，C_min，C_max，R_min，R_max，I_max，U_max。当系统预设已知变量确定后，首先生成初始种群，随后计算目标函数并带入多目标优化算法中进行循环直至循环迭代次数达到最大值。在优化算法循环中，首先根据公式(3)和(8)计算电能传输通道以及信号传输通道等效电路图的局部阻抗；然后根据公式(5)，(7)和(10)计算电能通道增益G_power，信道增益G_signal以及电能串扰增益G_cross；最后根据公式(12)-(14)求解约束条件的函数值并确认该约束条件是否满足。迭代结束后最终得到目标函数的最优值及其对应的决策变量值。由于目标函数个数为3，故最终的优化结果以三维Pareto前沿曲面的形式给出。原则上各个非支配解之间不存在优劣之分，最终的参数设计结果的选取可以依据不同的应用需求对电能增益、信号增益、以及电能串扰增益的要求通过衡量各目标函数的权重来实现。

本发明提出的设计方法是一种通用的方法，但为了更加直观地呈现最终的优化结果，此处以一个具体的双侧LCL补偿的ECPST电路为例，给出参数优化过程。表1为一组ECPST系统的预先确定参数。

表1 ECPST系统预先确定的参数列表

经过图1的设计流程得到的Pareto前沿曲面如图5所示。由于三维曲面的最优解不适于讨论分析，故将图5所示的结果投影至坐标系三个坐标平面上，投影结果如图6-图8所示，以便于优化结果的分析。

由图6可知，当G_signal＜1时，Pareto前沿几乎平行于G_signal轴，该特性表明系统的最优电能通道增益的大小对系统电能串扰的影响可以忽略不计。当G_signal＞1时，信号通道增益的增加将导致电能串扰大幅上升，尤其是当电能通道增益较大时，电能串扰的上升更加明显。由图7可知，不同的信号通道增益对应的Pareto前沿几乎互相重叠，这表明信号通道的增益不影响G_power-G_cross平面的Pareto前沿。由图8可知，当G_signal＜1时，在电能串扰恒定的情况下，信号通道增益与电能通道增益无关。当G_signal＞1时，轻微的信号通道增益的提升将导致电能通道增益的大幅提升，尤其是当电能串扰较小时，该特性更加明显。此外，当G_cross＞0.05且G_signal＜1时，系统电能通道增益可达到1，但当G_cross＜0.05时，电能通道增益G_power无法达到1，并且随着G_cross的减小而减小。表2给出了几组Pareto前沿曲面上的非支配解及其对应的函数值。

为验证多目标优化模型及求解方法的正确性，本实施例还基于MATLAB仿真平台建立仿真模型，并将仿真结果与理论值进行比较。其中仿真模型中元件参数与表2一致，最终的仿真结果及其对应的理论计算值如表3所示。

从表2和表3给出的8组参数及其目标函数可以看出，各组解的三个目标函数之间均为非支配关系，即不存在任何一组解的三个目标函数同时优于另外一组解对应的目标函数。例如第1组解的目标函数G_cross为4.21％，优于第5组解的6.13％，且第1一组解的G_power也优于第5组解，但是函数G_signal却劣于第5组解。所以尽管上述非支配解选自多目标优化模型的Pareto前沿曲面，但三个目标函数不可同时达到最优，最终的参数的选取仍需在三个目标函数之间进行权衡。在本例中，为保障电能传输选取电能传输效率大于90％的解，为保证信号拾取选取信号增益大于85％的解，为限制串扰选择串扰低于4％的解，最终选取第7组解作为最终的优化参数结果带入仿真模型中进行仿真，仿真结果如图9所示。从结果中可知系统的电能与信号并行传输效果良好。

表2由非支配最优解集合中选取的最优解

表3目标函数的理论计算结果与仿真结果对比

最后应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多约束条件下多目标优化的电场耦合电能与信号并行传输(ECPST)系统参数设计方法，其特征在于按照以下步骤进行：

S1：确定系统电路拓扑结构，即电能与信号并行传输系统电路结构，并根据实际应用场景需求将部分参数预设为常数，剩余的部分参数作为决策变量；

S2：决定约束条件的边界；

S3：根据决策变量和约束条件的边界实现种群初始化；

S4：根据系统电路拓扑结构，利用预设为常数的参数和生成的决策变量值计算目标函数值及其计算过程中的中间变量值；所述目标函数值包括电能通道增益、信号通道增益和电能串扰增益，所述中间变量值包括电能通道局部阻抗和信号通道局部阻抗；

S5：以电能通道增益尽可能大，信号通道增益尽可能大以及电能串扰增益尽可能小三者同时作为优化目标，利用多约束条件下多目标优化算法对决策变量进行寻优求解；

S6：经过多次迭代求得Pareto前沿曲面，最终得到目标函数的最优值及其对应的决策变量值；

步骤S1中系统电路拓扑结构是基于双边LCL型ECPT系统构建的ECPST系统，原、副边的信号支路分别由LC元件构成；

步骤S1中设为常数的参数包括耦合机构的等效电容C_s1和C_s2，负载等效电阻R_ac，信号电源电压

以及信号载波角频率ω_s，直流供电电压E_dc，交流等效电压源u_p以及电能谐振角频率ω_p；

步骤S1中作为决策变量的系统待定参数包括原边LCL网络参数L_t，C_t以及L_st；副边LCL网络参数L_r，C_r以及L_sr；原边信号支路参数L_bt和C_bt；副边信号支路参数L_br和C_br；信号检测电阻R_b。

2.根据权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于：将系统结构设为对称结构，因此最终选择变量L_t，C_t，L_st，L_bt，C_bt以及R_b构成决策变量向量。

3.根据权利要求2所述的参数设计方法，其特征在于按照以下方式计算电能通道增益函数G_power：

其中各个中间变量的关系为：

为元件C_t的电压，

为元件R_ac的电压，

为系统能量通道中原边信号支路电压，

为系统能量通道中副边信号支路电压，

为交流等效电压源电压，Z_p1～Z_p4表示电能通道局部阻抗，C_s为等效电容C_s1和C_s2的等效电容值。

4.根据权利要求3所述的参数设计方法，其特征在于按照以下方式计算电能串扰增益G_cross：

其中中间变量G_p5的运算关系为：

为信号检测电阻R_b电压。

5.根据权利要求4所述的参数设计方法，其特征在于按照以下方式计算信号通道增益G_signal：

其中各个中间变量的关系为：

表示系统信号通道中原边信号支路电压，

表示系统信号通道中副边信号支路电压，Z_s1～Z_s3表示信号通道局部阻抗。

6.根据权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于：

根据元件合理取值构成的约束条件表达式为：

式中，L_min，C_min和R_min分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的下限；L_max，C_max和R_max分别为电感，电容和电阻的合理取值范围的上限。

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