磁耦合谐振无线电能传输技术优化与仿真实践

1. 项目背景与核心目标

磁耦合谐振无线电能传输（MCR-WPT）技术近年来在消费电子、医疗植入设备和工业无线供电等领域展现出巨大潜力。2018年发表的这篇英文文献提出了一种基于SS_SP型拓扑的移相控制策略，通过优化谐振频率和相位差来提升能量传输效率。作为电力电子领域的研究者，我决定完整复现这篇论文的仿真模型，验证其理论创新点的实际效果。

文献的核心贡献在于：

• 针对SS_SP（串联-串联/并联）混合拓扑结构，建立了考虑寄生参数的等效电路模型
• 提出一种基于负载阻抗动态匹配的移相控制算法
• 在1MHz工作频率下实现了82%的传输效率（传输距离15cm）

2. 系统建模与参数计算

2.1 等效电路建模

SS_SP拓扑的独特之处在于发射端采用串联谐振（Series-Series），接收端采用并联谐振（Series-Parallel）。这种组合相比纯SS拓扑具有更好的负载适应性。根据基尔霍夫电压定律建立的时域方程：

code复制V_in = I1*(R1 + jωL1 + 1/jωC1) - jωM*I2
0 = I2*(R2 + RL + jωL2 + 1/jωC2) - jωM*I1

其中关键参数：

• L1/L2：发射/接收线圈自感（实测值：发射端85μH，接收端82μH）
• C1/C2：补偿电容（计算值：发射端298pF，接收端310pF）
• M：互感系数（通过ANSYS Maxwell仿真测得0.18μH）

注意：实际建模时需要添加线圈寄生电阻（R1/R2），文献中测得发射端0.48Ω，接收端0.52Ω

2.2 谐振频率修正

由于寄生参数影响，实际谐振频率会偏离理论值。采用扫频法确定最佳工作点时，发现实际谐振点在1.02MHz，比理论计算的0.98MHz高出约4%。这会导致：

• 传输效率下降（实测降低12%）
• 功率器件应力增大（MOSFET峰值电流增加15%）

解决方法：

1. 采用可变电容阵列（5-300pF可调）
2. 在DSP控制程序中加入频率微调算法

c复制// 伪代码示例
while(1){
    measure_phase_shift();
    if(phase_shift > 5deg) f_sw += 0.5kHz;
    else if(phase_shif