0 引言

无线电力传输(WIRELESS power transfer, WPT)系统因其安全性高、便捷性好、无需连接电缆等优点，被广泛应用于电动汽车、智能家居、可穿戴设备，尤其是水下环境等特殊应用中。

在实际应用中，WPT系统一般工作在恒流(CC)模式或恒压(CV)模式下。在现有的研究中，许多WPT系统依靠拓扑特性来实现CC/CV充电。例如，根据参数设计，四种基本补偿拓扑SS、SP、PP和PS可以实现固定频率的CC/CV输出。也有学者将混合高阶补偿拓扑应用于WPT系统中，通过合理的参数设计实现CC/CV输出。但是，以上方法只能实现单个CC或CV输出，不能满足CC和CV充电的全过程。为了使WPT系统在各个领域具有更好的兼容性，并确保CC和CV充电过程能够同时实现，人们对切换拓扑后WPT系统的CC和CV输出进行了广泛的研究。通过结合两种具有CC/CV特性的拓扑结构，利用开关改变拓扑结构，实现了CC和CV的充电过程。然而，在二次侧附加的开关设备和复杂的补偿网络将增加WPT系统的体积。强耦合可以消除接收端补偿。由于本文应用的是近距离强耦合条件，因此本文选择了二次侧无补偿电路的拓扑结构。

此外，为了保证WPT系统CC和CV输出的准确性和鲁棒性，学者们对CC/CV输出进行了研究，分别是采用无线通信的主端控制和不采用无线通信的次端控制。然而，频率控制方法会使WPT系统保持非线性，从而增加了系统控制的难度。通过二次侧半有源整流器实现CC输出。采用移相控制半有源整流器，实现对负载的连续充电。然而，二次侧控制电路导致的体积增大给接收机的功率集成带来了困难。通过无线通信将负载的电压发送到一次侧，并调节升压变换器的占空比来控制输出电压。然而，在水下等特殊环境下，通信是难以实现的。并且在二次侧增加dc/dc变换器会增加二次侧的体积，使得WPT系统不适用于对二次侧体积要求较高的场合，如自动制导车辆、无人潜航器(UUV)等。

因此，为了减小二次侧体积，实现CC/CV输出，避免通信，也研究了不依赖无线通信的一次侧控制策略和负荷估计方法。通过计算有功功率得到负载信息。但是，在整流器的输入阻抗建模中直接采用电阻模型，没有考虑整流器输入阻抗中的感应部分。但是，这种控制方法没有考虑整流器输入阻抗中的感应部分，并且输出电流和输出电压与被控逆变器的相移角不是直接线性关系，无法实现系统闭环设计。

在WPT系统中，一次侧补偿电感通常会占用额外的体积。综上所述，需要采用一次侧磁集成结构、二次侧无补偿网络的一次侧控制策略，该策略既具有较高的辨识精度，又便于系统控制器的设计。

在前人研究的基础上，本文的主要目的是提出一种新的基于LCC-N拓扑的主侧线性控制策略。该策略采用磁集成和无补偿拓扑结构，通过调整逆变器输入电压，改进负载参数识别方法，实现CC/CV充电。所提出的控制策略的优点如下：首先，附加补偿电感的体积减小，次级电感的尺寸相对紧凑。

由于补偿电感集成在一次线圈中，二次侧无补偿网络，控制器在一次侧，因此与带补偿电感的一次侧相比，带补偿电路的二次侧采用dc/dc变换器恒功率充电。其次，与仅考虑整流器输入阻抗模型以及计算整流器输入阻抗与负载之间的复杂关系相比，改进了所提出的负载参数识别方法。由于考虑了整流器的非纯阻性输入阻抗特性，没有推导整流器输入阻抗与负载之间的关系。第三，将控制模型简化为线性。控制器设计简单，与通过改变拓扑实现CC和CV输出的方法相比，该控制策略可以通过LCC-N拓扑实现CC/CV充电。因此，本文提出的主侧线性控制策略非常适用于二次侧体积要求小且通信困难的情况，如自主水下航行器和UUV。

其余各节组织如下:第二节给出了主侧荷载多参数辨识方法。第三节提出了详细的闭环控制算法。第四节通过实验验证了本文提出的方法。第五部分对本文进行总结。

1 系统建模及负载参数辨识方法

本文提出的控制结构中为直流电源;降压变换器由、、和组成;逆变器由-组成；初级侧补偿网络包括、和；和分别为初级线圈和次级线圈的自感电感；为线圈间互感;整流器由-组成；为整流器的输出滤波电容；为逆变器直流输入电压；为逆变器输出电压；为负载电压；为负载电流；为的电压；为一次侧线圈中的电流。

和共用一个铁氧体，减小了补偿网络的体积。当dd线圈与矩形线圈对齐时，dd线圈与矩形线圈去耦[31]。因此，补偿电感与初级线圈之间不存在耦合关系。另外，由于、、均由Litz导线构成，且Litz导线的材料为铜，铜的磁导率与空气的磁导率接近，因此对、的影响可以忽略。对和的互感和自感影响不大。

在主侧控制策略中，和分别代表和的基本均方根(RMS)值；和分别表示和的三次谐波均方根值;和分别是和之间的基谐波角和三次谐波角。第二节将详细介绍载荷参数辨识方法。使用确定的负载参数进行CC和CV控制的主侧线性控制算法将在第三