CN113139286A - 多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统，该方法应用于无线电能传输系统时，以线圈间的互感值或谐振频率为优化参数，以传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数为目标函数，采用方法为通过优化谐振频率及其线圈间的互感值，运用多目标全局最优化的线性加权和法进行最优化设计，实现目标函数在可行域范围内的全局最优化。

Description

多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术解决了移动设备的无线供电问题，在生物医疗、手持式电子设备、电动汽车等领域正受到越来越广泛的关注。在实际的无线电能传输系统的设计中，无线电能传输系统的输出功率、传输效率以及补偿电容上的电压应力等目标函数均会随着谐振频率的变化而变化，因此需要采取多目标全局最优化的参数设计方法详细分析无线电能传输系统的能量传输特性和电容电压应力特性，通过建立无线电能传输系统的数学模型，在建立的数学模型的基础上采取多目标全局最优化的方案实现目标函数的全局最优。
目前，专利CN 109256840A“一种发射端Buck控制的SS补偿型恒流无线充电电源以及充电方法”对发射端带有Buck控制的串串型无线电能传输系统的各个关键组成部分进行了分析，并说明此系统具有抗扰性强适合用于复杂电磁环境对的场合，但是对于系统效率、输出功率、电容电压应力等系统的关键评价指标没有提及。论文“感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化”(DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2010.33.007)采用一种新的效能积的方法对互感耦合参数进行了优化，在满足输出功率的基础上，该效能积方法对系统效率和输出功率等评价指标进行了优化，但是此方法的优化目标没有考虑电容电压应力，并且由于组成效能积的各个目标函数由于变化率和非线性程度的不同，导致目标函数在可行域范围内不一定是最优的。论文“任磊,薄翠梅,李俊,et al.SS型无线能量传输系统参数优化[J].电力电子技术,2016,50(7):74-77.”考虑了电容电压应力的影响，并采用综合优化系数的方法对无线电能传输系统进行了优化设计，该方法比效能积优化具有更高的传输效率、更低的电容电压应力，但是该方法同样由于目标函数变化率和非线性程度的不同，导致各目标函数在可行域范围内不一定是全局最优的。因此需要一种既考虑了系统效率、输出功率、电容电压应力又采用多目标全局优化的线性优化方法，本发明的多目标全局最优化参数设计方法的线性加权和法可以满足这种要求
发明内容
为了克服综合优化系数在无线电能传输系统优化设计中的不足，本发明以线圈间的互感值和谐振频率为优化参数，以传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数为目标函数，采用方法为通过优化谐振频率及其线圈间的互感值，运用多目标全局最优化的线性加权和法进行最优化设计，实现目标函数在可行域范围内的全局最优化。
本发明提供一种多目标全局参数优化方法，包括根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数，求最优解，得出优化方案。
优选的，包括所述无量纲目标函数包括传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数；
所述传输效率为负载有功功率与输入有功功率的比值；
所述功率传输系数为在某一个谐振频率点系统的输出功率最大时，其它谐振频率点对应的系统输出功率与此最大输出功率的比值；
所述电容电压应力系数为某一个谐振频率点补偿电容上的电压应力最大时，其它谐振频率点对应的补偿电容电压应力与此补偿电容上的最大电压应力的比值。
在本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，通过把输出功率和电容电压应力归一化为无量纲的功率传输系数β和电容电压应力系数σ，可以方便的将这两个目标函数与传输效率α进行统一的多目标全局最优化设计，避免了量纲的差异造成各目标函数不能全局最优化设计的缺点。
在上述任意一项实施例中优选的，所述无量纲目标函数代入构建的多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Z＝h1(-α)+h2(-β)+h3σ
其中，α为传输效率、β为功率传输系数、σ为电容电压应力系数；h1、h2、h3分别为传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ的匹配权重。
在上述任意一项实施例中优选的，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式后，多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Figure BDA0003024745010000031
其中，w0为发射侧和接收侧的谐振角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值，Rp、Rs分别是发射端、接收端电感Lp、Ls的寄生电阻，R为负载电阻值。
在上述任意一项实施例中优选的，按照如下方法对匹配权重进行设定：根据无量纲目标函数中重要程度对传输效率、功率传输系数，电容电压应力系数进行排序；按照排序位次对无量纲目标函数按照从大到小匹配权重，且所有权重之和相加为1。
本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。不仅可以为实际的无线电能传输系统的设计和应用提供指导，而且可以为无线电能传输系统的研究开辟一条新的途径。
在上述任意一项实施例中优选的，在求取最优解时，包括绘制线性加权和函数Z与谐振频率的关系曲线，计算线性加权和函数Z在曲线峰值处的最优解。
本发明还提供一种无线电能传输系统，应用上述所述的优化方法得出的优化方案，进行优化设置；包括高频交流电源、发射侧线圈、发射侧补偿电容、接收侧补偿电容、接收侧线圈、负载；所述高频交流电源与发射侧线圈和发射侧补偿电容连接，接收侧补偿电容与接收侧线圈和负载连接，发射侧和接收侧通过感应耦合传输电能。
优选的，所述发射侧线圈和发射侧补偿电容谐振，接收侧补偿电容与接收侧线圈谐振，且谐振频率等于高频交流电源的频率时，通过感应耦合传输电能。
在上述任意一项实施例中优选的，根据设定的发送和接收端的线圈电感值、电感内阻值、负载电阻值、交流电源的有效值及互感值，根据优化方案，进行电能传输。
在上述任意一项实施例中优选的，所述优化方案中根据多目标全局最优化的评价函数最优解时的谐振角频率，进行电能传输。
本实施例提供的应用多目标全局参数优化方法的无线电能传输系统，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。优化后，采用使输出功率增加，谐振频率降低，谐振频率的下降可以在降低逆变器开关损耗的同时提高无线电能传输系统的安全性和可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的无线电能传输系统的结构框图；
图2为一种用于无线电能传输系统的电路拓扑；
图3为本发明实施例提供的多目标全局参数优化方法中线性加权和函数与谐振角频率的曲线关系图；
图4为本发明实施例提供的多目标全局参数优化方法流程图。
图中：101、高频交流电源；102、发射侧线圈；103、发射侧补偿电容；104、接收侧补偿电容；105、接收侧线圈；106、负载。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明提供一种多目标全局参数优化方法，如图4所示，包括
S1、根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；
S2、对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数，
S3、将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；
S4、以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数，求最优解，得出优化方案。
优选的，包括所述无量纲目标函数包括传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ；所述传输效率α为负载有功功率与输入有功功率的比值；所述功率传输系数β为在某一个谐振频率点系统的输出功率最大时，其它谐振频率点对应的系统输出功率与此最大输出功率的比值；所述电容电压应力系数σ为某一个谐振频率点补偿电容上的电压应力最大时，其它谐振频率点对应的补偿电容电压应力与此补偿电容上的最大电压应力的比值。
其原理为，当无线电能传输系统的传输效率在某一个谐振频率点(或互感值)时达到最大值，而负载功率在另外一个谐振频率点(或互感值)取得最大值，同理，发射侧和接收侧上的补偿电容上的电压应力在某一个谐振频率点(或互感值)时最大，那么，当传输效率很高时，此时的功率传输系数却很低，电容电压应力系数也不一定是最优的，基于此，本发明通过优化发射线圈和接收线圈的谐振频率及其线圈间的互感值，采用多目标全局最优化的线性加权和法，对无线电能传输系统的传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数作为目标函数进行多目标全局最优化参数设计，实现各目标函数在可行域范围内的全局最优化。
在本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，通过把输出功率和电容电压应力归一化为无量纲的功率传输系数β和电容电压应力系数σ，可以方便的将这两个目标函数与传输效率α进行统一的多目标全局最优化设计，避免了量纲的差异造成各目标函数不能全局最优化设计的缺点。
实际的无线电能传输系统的多目标全局最优化参数设计时，我们总会希望对那些相对较为重要的指标给予较大的权系数，同时避免传统非线性参数优化方法由于目标函数变化率的不同产生的误差，因此可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。基于此，构造线性加权和函数Z(x)，定义如下：
Figure BDA0003024745010000061
式中：Z(x)为所构造的多目标全局最优化的评价函数，hi为组成评价函数的各个目标函数的加权因子。
所述无量纲目标函数代入构建的多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Z＝h1(-α)+h2(-β)+h3σ
其中，α为传输效率、β为功率传输系数、σ为电容电压应力系数；h1、h2、h3分别为传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ的匹配权重。
将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式后，多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Figure BDA0003024745010000062
其中，w0为发射侧和接收侧的谐振角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值，Rp、Rs分别是发射端、接收端电感Lp、Ls的寄生电阻，R为负载电阻值。
按照如下方法对匹配权重进行设定：根据无量纲目标函数中重要程度对传输效率、功率传输系数，电容电压应力系数进行排序；
按照排序位次对无量纲目标函数按照从大到小匹配权重，且所有权重之和相加为1。若项目要求传输效率α最重要、功率传输系数β次之、电容电压应力系数σ再次之，则h1可取0.5、h2可取0.3、h3可取0.2，且h1、h2、h3相加必为1。
本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。不仅可以为实际的无线电能传输系统的设计和应用提供指导，而且可以为无线电能传输系统的研究开辟一条新的途径。
在求取最优解时，包括绘制线性加权和函数Z与谐振频率的关系曲线，计算线性加权和函数Z在曲线峰值处的最优解。
本发明还提供一种无线电能传输系统，应用上述所述的优化方法得出的优化方案，进行优化设置；如图1所示，包括高频交流电源、发射侧线圈、发射侧补偿电容、接收侧补偿电容、接收侧线圈、负载；所述高频交流电源与发射侧线圈和发射侧补偿电容连接，接收侧补偿电容与接收侧线圈和负载连接，发射侧和接收侧通过感应耦合传输电能。
优选的，所述发射侧和接收侧通过感应耦合传输电能时，当发射侧线圈和发射侧补偿电容谐振，接收侧补偿电容与接收侧线圈谐振，且谐振频率等于高频交流电源的频率。
本实施例中，采用的无线电能传输系统的电路拓扑如图2所示。其中，Ui为高频交流电源101；Lp为发射侧线圈102，Rp为发射侧线圈Lp的寄生电阻；Cp为发射侧补偿电容103；M为发射线圈和接收线圈的互感值；Cs为接收侧补偿电容104；Ls为接收侧线圈105，Rs为接收侧线圈Ls的寄生电阻；R为负载电阻106；在优化方案中，根据系统给定的发送和接收端的线圈电感值、电感内阻值、负载电阻值、交流电源的有效值、互感值、根据得到的最优解时的谐振角频率，按照得出的谐振角频率进行电能传输。
给定无线电能传输系统参数值为：发送和接收端的线圈电感值Lp＝Ls＝200.6μH，电感内阻值Rp＝Rs＝1Ω，负载电阻R为10Ω，交流电源Ui的有效值为10V，互感值M为40μH。选取合适的加权因子hi(h1,h2,h3)绘制线性加权和函数Z与谐振角频率w0的关系如图3所示，可以看出加权和函数Z在曲线的峰值处(此时的谐振角频率值为1.36*105rad/s)取得最优解，最后将多目标全局最优化的结果与综合优化系数的结果进行比较，结果显示：相比综合优化系数方法所得的结果，采用多目标全局最优化的方法可以使输出功率增加9.78％，谐振频率也降低了11.77％，谐振频率的下降可以在降低逆变器开关损耗的同时提高无线电能传输系统的安全性和可靠性，虽然系统的输出效率降低约6％，但相比输出功率的提高和谐振频率的降低，在满足输出功率的基础上这种牺牲是值得的，因此采用多目标全局最优化的参数设计方法是令人满意的。
本实施例提供的应用多目标全局参数优化方法的无线电能传输系统，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。优化后，采用使输出功率增加，谐振频率降低，谐振频率的下降可以在降低逆变器开关损耗的同时提高无线电能传输系统的安全性和可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种多目标全局参数优化方法，其特征在于，包括
根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；
对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数；
将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；
以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数求最优解；得出优化方案。
2.根据权利要求1所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，包括所述无量纲目标函数包括传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数；
所述传输效率为负载有功功率与输入有功功率的比值；
所述功率传输系数为在某一个谐振频率点系统的输出功率最大时，其它谐振频率点对应的系统输出功率与此最大输出功率的比值；
所述电容电压应力系数为某一个谐振频率点补偿电容上的电压应力最大时，其它谐振频率点对应的补偿电容电压应力与此补偿电容上的最大电压应力的比值。
3.根据权利要求2所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，所述无量纲目标函数代入构建的多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Z＝h1(-α)+h2(-β)+h3σ；
其中，α为传输效率；β为功率传输系数；σ为电容电压应力系数；h1、h2、h3分别为传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ的匹配权重。
4.根据权利要求3所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式后，对多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Figure FDA0003024744000000011
其中，w0为发射侧和接收侧的谐振角频率；M为发射线圈和接收线圈的互感值；Rp为发射端接收端电感Lp的寄生电阻；Rs是接收端接收电感Ls的寄生电阻，R为负载电阻值。
5.根据权利要求3所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，按照如下方法对匹配权重进行设定：
根据无量纲目标函数中重要程度对传输效率、功率传输系数，电容电压应力系数进行排序；
按照排序位次对无量纲目标函数按照从大到小匹配权重，且所有权重之和相加为1。
6.根据权利要求3所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，在求取最优解时，包括：绘制线性加权和函数Z与谐振频率的关系曲线，计算线性加权和函数Z在曲线峰值处的最优解。
7.一种无线电能传输系统，其特征在于，用于实施上述权利要求1-6中任意一项所述的优化方法：包括高频交流电源(101)、发射侧线圈(102)、发射侧补偿电容(103)、接收侧补偿电容(104)、接收侧线圈(105)、负载(106)；所述高频交流电源(101)与发射侧线圈(102)和发射侧补偿电容(103)连接，接收侧补偿电容(104)与接收侧线圈(105)和负载(106)连接，发射侧和接收侧利用优化方案，通过感应耦合传输电能。
8.根据权利要求6所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述发射侧线圈(102)和发射侧补偿电容(103)谐振，接收侧补偿电容(104)与接收侧线圈(105)谐振，且谐振频率等于高频交流电源(101)的频率时，通过感应耦合传输电能。
9.根据权利要求6所述的无线电能传输系统，其特征在于，根据设定的发送和接收端的线圈电感值、电感内阻值、负载电阻值、交流电源的有效值及互感值，根据优化方案，进行电能传输。
10.根据权利要求9所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述优化方案中根据多目标全局最优化的评价函数最优解时的谐振角频率，进行电能传输。
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