一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法

本发明涉及激光无线能量传输控制，尤其是涉及一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法。

背景技术：

1、激光无线能量传输是一种新兴的远距离无线能量传输技术，它利用激光束将能量从发送端传输到接收端，从而实现无线充电。与近场无线能量传输技术相比，激光无线能量传输能够工作在更远的传输距离，并且其电磁兼容性能更加优秀。传输距离、传输功率、传输效率是激光无线能量传输系统的关键，效率优化是激光无线能量传输技术的重要研究方向。

2、目前，针对激光无线能量传输系统，国内外在激光器、激光传输过程、光伏阵列的效率分析与优化等方面已有大量相关研究，包括，调整激光器电流形式以提升激光器电-光转换效率，调整光束能量分布或光场相位以优化激光传输性能，优化光伏阵列结构或光伏电池生长结构以提升光-电转换效率等。大多数研究往往会聚焦于传能系统中的某一关键环节，针对全链路进行整体效率分析及优化的研究相对较少。2020年，论文optimizationof optical wireless power transfer using near-infrared laser diodes中指出，激光器工作在最大效率工作点并不能保证此时总体传输效率最优，因此，对激光无线能量传输全链路进行效率分析是有必要的。

3、激光无线能量传输主要包括激光器驱动器电能变换、激光器电光变换、激光传输、光伏阵列光电变换、光伏变换器电能变换共五个环节，考虑到电能变换环节对应电力电子技术相对成熟，效率最高能够接近～95％，并且在全工作范围内效率均能够>90％，对链路效率影响较小。因此重点关注电-光-电中间环节，对由激光器、激光传输、光伏阵列构成的激光无线能量传输链路进行效率分析及优化具有代表性。

4、综上所述，针对激光无线能量传输链路开展效率分析及优化，考虑介质传输过程中损耗的影响，使激光器、光伏阵列的工作点相匹配，能够提升激光无线能量传输系统的效率。

5、现有技术的缺点如下：

6、1、目前针对激光无线能量传输系统的效率分析与优化，多聚焦于传能系统中关键环节，较少针对全链路进行整体效率分析及优化。激光器与光伏阵列的工作点(工作电压、工作电流)会影响此时链路的能量传输效率，并且激光器效率最优点或光伏阵列的效率最优点未必对应链路最优，需要综合考虑与分析，最终才能够获得链路的效率最优工作点。

7、2、目前针对激光无线能量传输链路的综合效率最优开展的相关研究，通过调整激光器输出功率，能够优化链路电-光-电效率。但其未能考虑激光传输介质散射、吸收过程的影响，由于介质损耗的存在，会导致链路的效率最优工作点发生偏移。

8、3、目前研究多聚焦于集中式激光无线能量传输系统(单输入-单输出)，较少针对分散结构激光无线能量传输系统进行效率分析与优化。对于分散结构传能系统，由于各链路激光器、光伏阵列独立可控，具有更优的控制灵活性，也具有更大的效率提升潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在较少针对全链路进行整体效率分析及优化，且未能考虑激光传输介质散射、吸收过程的影响的缺陷而提供一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，包括以下步骤：

4、对于集中式结构传能系统，根据激光器与光伏阵列的数学模型，构建传能链路效率评价函数，并设计介质传能效率评价函数的观测器，对所述传能链路效率评价函数进行优化，对优化后的传能链路效率评价函数进行求解，得到集中式结构传能系统的效率最优工作点。

5、进一步地，所述优化后的传能链路效率评价函数的表达式为：

6、eff＝effld(pld)*effmedium(α，l)*effpv(pinpv)

7、≈effld(pld)*effmedium ob*effpv(pinpv)

8、＝f(pld，effmedium ob)

9、式中，effld(pld)为传能链路电-光转换效率，根据激光器数学模型获得；effpv(pinpv)为传能链路光-电转换效率，根据光伏阵列的数学模型获得；effmedium ob为介质传能效率评价函数的观测器。

10、进一步地，参数effmedium ob的计算表达式为：

11、

12、式中，ipv表示光伏阵列输出电流；upv表示光伏阵列输出电压；i0为二极管反向饱和漏电流；n为二极管理想因子，q为电子电荷量，ns为串联光伏单元个数；k为玻尔兹曼常数，tpv为光伏电池温度，isc为短路电流；ki为光生电流的温度系数，tn为标准测试条件对应的光伏阵列温度；gn(w/m2)为标准测试条件对应的光伏阵列辐照度；irs为标准测试条件下的反向饱和电流，eg为半导体材料的禁带宽度；isc为标准测试条件下的短路电流；spv为光伏阵列面积；rs为等效串联电阻，t为工作温度，rsh为等效并联电阻，tld为激光器的工作温度，ild为激光器的输入电流，ith为激光器的阈值电流。

13、进一步地，采用对传能链路效率评价函数求导求极值点的方式得到所述效率最优工作点；

14、对于激光器、光伏阵列均工作在设计额定温度的标准范围内，所述对传能链路效率评价函数求导求极值点的计算表达式为：

15、

16、pld*＝pmpp

17、tld＝tn

18、tpv＝tn

19、式中，pld*为激光器输出功率给定，pmpp为链路效率最优工作点，tn为额定工作温度，umpp为光伏阵列工作的最大功率点，pinld为激光器的输入功率，pinpv＝pld*effmedium。

20、进一步地，对于温度影响不可忽略的情况，所述对传能链路效率评价函数求导求极值点的计算表达式为：

21、

22、pld*＝pmpp

23、

24、进一步地，所述方法还包括：对于分散结构传能系统，根据传能链路的形式，构建多链路传能系统综合效率评价函数，并设计分散结构传能系统的介质传能效率评价函数的观测器，结合分散结构传能系统中激光器、光伏阵列的效率特性，对使多链路传能系统综合效率评价函数最大化的优化问题求解，得到各激光器及光伏阵列对应的工作点。

25、进一步地，所述分散结构传能系统的介质传能效率评价函数的观测器根据分散结构传能系统中各条传能链路的介质传能效率评价函数的观测器构建。

26、进一步地，所述优化问题的表达式为：

27、min-1*effmulti(pld1,pld2,...,pldn)

28、

29、effmedium ob＝avg(effmedium ob1，effmedium ob2，...，effmedium obm)

30、式中，effmulti为多链路传能系统综合效率评价函数，n为激光器个数，m为传能链路数，pld表示激光器的输出功率，pldsum为分散结构传能系统的激光器总输出功率，pldsum*为分散结构传能系统的激光器总输出功率给定，effmediumob为分散结构传能系统的设计介质传能效率评价函数的观测器，effmediumobm为第m个传能链路数的介质传输效率估计值。

31、进一步地，通过求解所述优化问题，得到使effmulti最大的pld1,pld2,…,pldn，从而得到各激光器及光伏阵列对应的工作点，各激光器及光伏阵列对应的工作点对应的计算表达式为：

32、

33、式中，ildk表示第k个传能链路中激光器的输入电流，uldk为第k个传能链路中激光器的输入电压，pldk为第k个传能链路中激光器的输出功率，ithk为第k个传能链路中激光器的阈值电流，k为玻尔兹曼常数，umpp为光伏阵列工作的最大功率点，pinldk为第k个传能链路中激光器的输入功率，sk为第k个传能链路中的光伏阵列面积。

34、进一步地，根据获取的效率最优工作点对激光无线能量传输系统进行控制。

35、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

36、(1)本发明构建传能链路效率评价函数能够评价激光无线能量传输链路效率性能，能够从全链路角度进行整体系统的效率分析及优化，能够使激光器、传输介质、光伏阵列工作点匹配以提升能量传输效率；

37、并进行介质效率估计器的构建，能够充分计及激光无线能量传输过程中介质的非线性时变特性，在不同介质情况下，均能够实现传能效率的优化。

38、(2)本发明针对单链路激光无线能量传输系统，能够得到其链路传输功率与端到端效率关系，求解得到链路的效率最优工作点；针对分散结构激光无线能量传输系统，在任意传输功率下，能够对传能系统各激光器、光伏阵列工作点进行优化，使激光能量传输系统能够达到全局效率最优。综上，该提案方法通过对激光无线能量传输系统开展全局效率分析与优化，指导不同模式下激光器、光伏阵列工作点的控制，能够有效提升传能系统效率性能。

39、(3)本发明针对分散结构激光无线能量传输系统特点，能够灵活调节激光器、光伏阵列工作点，在任意激光传输功率下，实现综合效率的最优化搜索求解。充分利用分散结构控制灵活性特点，提升传能效率。

40、(4)利用本发明的方法进行分散结构激光无线能量传输系统全局效率分析与优化的仿真与实验研究，可以为提升激光能量传输系统效率提供理论支撑，完成效率分析与优化，指导激光器、光伏阵列电压、电流给定初值，提升系统可用性。

技术特征：

1.一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，所述优化后的传能链路效率评价函数的表达式为：

3.根据权利要求2所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，参数effmediumob的计算表达式为：

4.根据权利要求3所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，采用对传能链路效率评价函数求导求极值点的方式得到所述效率最优工作点；

5.根据权利要求4所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，对于温度影响不可忽略的情况，所述对传能链路效率评价函数求导求极值点的计算表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，所述方法还包括：对于分散结构传能系统，根据传能链路的形式，构建多链路传能系统综合效率评价函数，并设计分散结构传能系统的介质传能效率评价函数的观测器，结合分散结构传能系统中激光器、光伏阵列的效率特性，对使多链路传能系统综合效率评价函数最大化的优化问题求解，得到各激光器及光伏阵列对应的工作点。

7.根据权利要求6所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，所述分散结构传能系统的介质传能效率评价函数的观测器根据分散结构传能系统中各条传能链路的介质传能效率评价函数的观测器构建。

8.根据权利要求6所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，所述优化问题的表达式为：

9.根据权利要求8所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，通过求解所述优化问题，得到使effmulti最大的pld1,pld2,…,pldn，从而得到各激光器及光伏阵列对应的工作点，各激光器及光伏阵列对应的工作点对应的计算表达式为：

10.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，其特征在于，根据获取的效率最优工作点对激光无线能量传输系统进行控制。

技术总结
本发明涉及一种激光无线能量传输系统全局效率优化控制方法，包括：对于集中式结构传能系统，根据激光器与光伏阵列的数学模型，构建传能链路效率评价函数，并设计介质传能效率评价函数的观测器进行优化，求解优化后的传能链路效率评价函数，得到集中式结构传能系统的效率最优工作点；对于分散结构传能系统，根据传能链路的形式，构建多链路传能系统综合效率评价函数，并设计分散结构传能系统的介质传能效率评价函数的观测器，结合分散结构传能系统中激光器、光伏阵列的效率特性，对使多链路传能系统综合效率评价函数最大化的优化问题求解，得到各激光器及光伏阵列对应的工作点。与现有技术相比，本发明能使激光能量传输系统达到全局效率最优。

技术研发人员：康劲松,孙梁榕,钱婧怡,周艳萍
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23