西南交通大学科研团队提出一种旋转分段式电场耦合无线电能传输系统最大效率跟踪控制方法

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导语

为解决船舶、风机旋转动力轴监测设备无线供电存在的效率随转角、负载波动、下降的难题，西南交通大学相关团队在《电工技术学报》2026年第8期上，提出旋转分段式CPT系统双级DC-DC协同最大效率跟踪控制方法；建立了金属轴影响的一对多分段电容耦合机构等效电路与系统损耗模型；搭建3MHz旋转分段CPT原理样机，从负载扰动、旋转耦合扰动两类工况验证该方法在0°- 90°旋转区间、30-100Ω负载范围内持续追踪峰值效率、稳定输出电压的优越性能。

研究背景

船舶、风电、盾构等大型装备旋转动力轴监测供电场景下，传统电滑环接触供电磨损严重、故障频发。旋转轴持续转动带极板耦合时变特性，分段式电容无线电能传输（CPT）虽能抑制辐射损耗，但转轴转角变化、后端负载动态波动会大幅拉低系统传输效率；现有最大效率跟踪方案大多针对一对一固定耦合机构，多依赖扰动迭代、耦合系数辨识，计算负担重、实时性差，无法同时兼顾效率最优与负载恒压供电需求。因此，面向旋转分段一对多时变CPT系统，急需一套可同步实现峰值效率跟踪、负载稳压输出的协同控制方案，以保障旋转设备监测装置长期高效、稳定供电。

图1 基于最大效率点跟踪控制的旋转分段式CPT系统电路

论文所解决的问题及意义

针对船舶、风机旋转动力轴无线供电存在的效率衰减难题——转轴旋转、负载动态变化造成耦合参数持续波动，分段式 CPT 系统长期偏离最优工作点，以及现有最大效率跟踪方法依赖扰动迭代、耦合系数辨识计算量大，无法同步兼顾效率优化与负载恒压输出的缺陷，本文提出的双级DC-DC协同控制策略通过前级Buck变换器动态匹配最优等效负载、后级Boost变换器闭环稳压，有效解决了旋转、负载双扰动工况下系统效率大幅跌落、输出电压不稳等问题。

在转轴0°- 90°全转角、30-100Ω全负载区间持续追踪峰值传输效率，最高可提升系统效率8%，同时稳定负载供电电压，为大型旋转机械轴端监测设备提供低损耗、高可靠的无线供电技术方案。

论文方法及创新点

1、多端口Z参数耦合建模

结合有限元提取极板互容、自容参数，构建旋转分段一对多电容耦合矩阵等效电路，区分极板正对、过分段两种旋转工况统一建模。

图2 旋转分段式CPT系统等效电路

2、损耗建模分析

基于基尔霍夫定律推导系统功率损耗表达式，证明效率随等效负载呈单峰函数，求解不同旋转角度下最优等效负载解析公式。

3、双级DC-DC协同闭环控制

前级Buck变换器调节逆变器输入电压，动态匹配最优等效负载实现最大效率跟踪；后级Boost变换器闭环稳压，保障负载侧输出电压恒定；通过实时采集交直流电压、电流，构建无扰动解析型效率跟踪闭环，无需迭代扰动。

图3 一对多最大效率跟踪控制系统架构

结论

1）本文针对旋转分段式一对多时变CPT系统，完成多端口耦合建模、损耗机理分析，明确系统存在唯一全局最优效率负载点，理论模型与实验实测曲线趋势高度吻合，模型误差来源于器件开关损耗、极板高频趋肤损耗与轻微失谐。

2）所提双级DC-DC协同最大效率跟踪控制策略，在转轴0°- 90°全旋转区间、负载30-100Ω全变化范围内，均可实时追踪系统峰值效率；相较于无控制方案，最大效率提升幅度可达8%，输出电压稳定维持在设定值。

图4 耦合位置固定时系统随负载变化的效率曲线

图5 负载固定时系统随旋转角度变化的效率曲线

3）该控制方案无需系统周期性扰动、无需复杂耦合系数在线识别，仅依靠基础电压、电流采样即可实现闭环控制，控制器计算负担小、硬件成本低，具备优异工程实用性，可为风电、船舶、盾构等旋转设备无线供电系统提供标准化设计与控制方案。

图6 系统实验装置

团队介绍

团队是一支以何正友教授（长江、杰青、万人）牵头的国内一流技术研发团队，一直致力于轨道交通无线供电系统理论与关键技术研究。该科研团队先后承担“十三五”国家重点研发计划—先进轨道交通专项、国家自然科学基金项目（区域联合、面上、青年）、中国铁路总公司重点科技开发项目、四川省科技计划项目等多项国家级/省部级科研项目。在2020年1月完成了国内首套500kW低速无线供电系统的原理样机研发。研究团队已在IEEE Trans.、中国电机工程学报等期刊发表SCI论文100余篇，EI论文40余篇，其中中科院1区论文50余篇，授权发明专利60余项；相关科研成果在无线供电领域得到广泛应用。

周玮

西南交通大学副研究员，博士生导师，研究方向为无线电能传输技术及其应用、无线电能与信号并行传输技术等。

麦瑞坤

同济大学教授，博士生导师，研究方向为非接触牵引供电技术研究及其在轨道交通中的应用、非接触供电技术、电力系统信号处理。

李志强

硕士研究生，研究方向为无线能传输技术及其应用。

本工作成果发表在2026年第8期《电工技术学报》，论文标题为"旋转分段式电场耦合无线电能传输系统最大效率跟踪控制方法"。本课题为国家自然科学基金和四川省科技计划资助项目。

引用本文

周玮, 李志强, 郑靖玮, 张强, 麦瑞坤. 旋转分段式电场耦合无线电能传输系统最大效率跟踪控制方法[J]. 电工技术学报, 2026, 41(8): 2535-2546. Zhou Wei, Li Zhiqiang, Zheng Jingwei, Zhang Qiang, Mai Ruikun. Maximum Efficiency Tracking Control Method for Rotating Segmented Electric Field-Coupled Wireless Power Transfer Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(8): 2535-2546.