💥1 概述

一区论文复现：基于SLSPC系列的高阶PT-WPT无线电能传输系统（文献深度解析与PPT讲解）

一、引言

在当今科技飞速发展的时代，无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）凭借其摆脱传统有线束缚、提供灵活便捷供电方式的独特优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。特别是在无人机领域，无线充电技术有望解决无人机续航短、充电不便等关键问题，为无人机的广泛应用提供有力支持。然而，无人机无线充电面临着诸多特殊且复杂的挑战，这些挑战对无线电能传输系统的性能提出了极高要求。本次复现的一区论文《Constant Power Control against M/R With Expanded PT-Symmetric Range for Wireless In-Flight Charging of Drones》，聚焦于解决无人机无线充电中的关键问题，提出了一种创新的基于SLSPC系列的高阶PT-WPT无线电能传输系统，为该领域的研究提供了新的思路和方法。

二、无人机无线充电面临的特殊挑战

互感（M）连续波动

无人机在飞行过程中，其位置和姿态不断变化，导致发射线圈与接收线圈之间的相对位置和角度发生改变。这种动态变化使得互感（M）产生连续波动，而互感是影响无线电能传输效率和功率的关键因素之一。互感的波动会直接导致传输功率的不稳定，进而影响无人机的充电效果和飞行安全。因此，如何应对互感的连续波动，实现稳定的功率传输，是无人机无线充电面临的首要挑战。

锂电池等效负载在充电过程中的变化

无人机的锂电池在充电过程中，其等效负载并非恒定不变。随着充电的进行，电池的电压和内阻会发生变化，从而导致等效负载的改变。传统的无线电能传输系统在设计时通常假设负载为恒定值，当负载发生变化时，系统的输出功率和效率会受到显著影响。因此，需要设计一种能够适应负载变化的无线电能传输系统，以确保在锂电池充电过程中始终保持稳定的输出功率和高效的传输效率。

无人机有效载荷有限

无人机的有效载荷能力是其重要性能指标之一，由于需要携带各种设备和任务载荷，其可用于安装无线充电装置的空间和重量非常有限。这就要求无线电能传输系统必须具备小型化、轻量化的特点，同时还要保证较高的传输效率和稳定性。如何在有限的载荷条件下，设计出高效、紧凑的无线电能传输系统，是无人机无线充电面临的又一重要挑战。

三、创新电路结构解析

奇偶时间（PT）对称无线电能传输（WPT）系统

奇偶时间（PT）对称理论源于量子物理领域，近年来被引入无线电能传输技术中，为解决无线充电中的功率稳定问题提供了新的理论支持。PT对称无线电能传输系统的核心思想是通过引入负电阻元件，构造一个满足PT对称性的电路结构。当系统处于PT对称相时，其输出功率与负载和耦合系数无关，仅取决于系统的固有参数，从而实现恒功率输出。这种特性使得PT对称系统在应对无人机无线充电中的互感波动和负载变化等问题时具有独特的优势。

一次串联和二次串联电感串并联电容（SLSPC）高阶拓扑结构

为了进一步提升PT对称无线电能传输系统的性能，论文提出了一种一次串联和二次串联电感串并联电容（SLSPC）高阶拓扑结构。该拓扑结构在传统串联 - 串联（S - S）拓扑的基础上进行了创新改进，通过在一次侧和二次侧引入并联电容，改变了系统的谐振特性。与传统的S - S拓扑结构相比，SLSPC拓扑结构具有以下显著优势：

• 降低临界耦合系数：临界耦合系数是衡量无线电能传输系统性能的重要指标之一，较低的临界耦合系数意味着系统在更弱的耦合条件下也能实现高效的功率传输。SLSPC拓扑结构通过优化电路参数，有效降低了临界耦合系数，使得系统在无人机飞行过程中，即使线圈之间的耦合较弱，也能保持较高的传输效率。
• 扩展精确的PT对称区域（恒定功率范围）：在PT对称系统中，精确的PT对称区域对应着恒定功率输出范围。SLSPC拓扑结构通过降低临界耦合系数，大大扩展了精确的PT对称区域，使得系统在更广泛的负载和耦合系数变化范围内都能实现恒功率输出，从而更好地适应无人机无线充电中的复杂工况。

四、仿真验证与结果分析

仿真目标设定

为了验证基于SLSPC系列的高阶PT-WPT无线电能传输系统的性能，论文进行了一系列的仿真实验。主要仿真目标包括：

• 验证系统在不同负载情况下是否可以维持稳定的输出功率。
• 验证在大于临界耦合系数的区域内，改变耦合系数时输出功率是否可以维持不变。

关键仿真实现

控制相位实现负电阻

在PT对称无线电能传输系统中，负电阻是实现恒功率输出的关键元件。通过控制电路中相关元件的相位，可以模拟出负电阻的特性。在仿真中，通过精确调整电路参数和相位控制算法，成功实现了负电阻的模拟，为系统的PT对称性提供了保障。

控制移向角（0 - 180°）输出对应的功率大小

移向角是影响系统输出功率的重要参数之一。通过控制移向角在0 - 180°范围内变化，可以调节系统的功率传输特性。仿真结果表明，系统输出功率与移向角之间存在明确的对应关系，通过合理控制移向角，可以实现系统输出功率的精确调节。

系统工作在PT - 对称区域时的恒定功率输出

当系统工作在PT - 对称区域时，其输出功率应与耦合系数的变化无关。仿真中，通过改变耦合系数，同时调节控制器参数，使系统始终保持在PT - 对称区域。结果显示，在耦合系数发生变化时，系统能够自动调节控制器参数，维持恒定功率输出，验证了系统在PT - 对称区域的稳定性和可靠性。

仿真结果对比分析

与传统串联 - 串联拓扑结构相比，基于SLSPC系列的高阶PT-WPT无线电能传输系统在仿真中表现出显著的优势。在相同的负载和耦合系数变化条件下，传统S - S拓扑结构的输出功率波动较大，无法满足无人机无线充电对功率稳定性的要求；而SLSPC拓扑结构通过降低临界耦合系数，大大扩展了精确的PT对称区域，使得系统在更广泛的工况下都能实现恒功率输出，有效提高了系统的稳定性和可靠性。

五、复现资源提供

为了方便广大研究人员深入理解和复现本次研究内容，我们提供以下丰富的复现资源：

• 仿真 + 复现的文献：提供论文《Constant Power Control against M/R With Expanded PT-Symmetric Range for Wireless In-Flight Charging of Drones》的完整PDF版本，详细阐述了研究的背景、方法、结果和结论，为复现工作提供全面的理论支持。
• PPT讲解资料：精心制作了PPT讲解资料，以图文并茂的形式对论文的核心内容进行解读，包括无人机无线充电的挑战、创新电路结构、仿真验证结果等，帮助读者快速理解研究的重点和难点。
• 复现的波形图：提供高清原图的复现波形图，这些波形图直观地展示了系统在不同工况下的输出功率、电压、电流等参数的变化情况，为复现结果的验证提供了有力的依据。研究人员可以直接使用这些高清原图进行分析和展示，提高研究效率和质量。

六、结论与展望

本次复现的一区论文《Constant Power Control against M/R With Expanded PT-Symmetric Range for Wireless In-Flight Charging of Drones》提出了一种创新的基于SLSPC系列的高阶PT-WPT无线电能传输系统，有效解决了无人机无线充电中面临的互感波动、负载变化和有效载荷有限等特殊挑战。通过仿真验证，该系统在不同负载和耦合系数变化条件下能够实现稳定的输出功率，具有显著的优势和应用前景。

未来，随着无人机技术的不断发展和应用场景的日益丰富，对无线电能传输系统的性能要求将越来越高。进一步优化SLSPC拓扑结构的参数设计，提高系统的传输效率和稳定性，将是后续研究的重要方向。同时，结合先进的控制算法和智能技术，实现系统的自适应控制和优化，将有助于推动无人机无线充电技术的商业化应用，为无人机产业的发展注入新的动力。

📚2 运行结果

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🎉3 参考文献

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[1] Gu Y , Chen J , Chang S ,et al.Constant Power Control Against M / R With Expanded PT-Symmetric Range for Wireless in-Flight Charging of Drones[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2023(11 Pt.1):59.DOI:10.1109/TMAG.2023.3284826.

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