基于激光的无线电力传输系统的效率优化

基于激光的无线电力传输(LWPT) 技术被认为是一种相对较新的技术，可用于远程无线电力传输应用，例如无人机和轨道卫星。1,2LWPT 系统有两个主要组件：激光二极管 (LD) 和光伏 (PV) 阵列，如下图所示。3在任何应用中，都必须考虑系统的端到端效率。该系统效率包括 LD 和 PV 阵列的效率，因为它们会限制所实施系统的效率。大多数关于 LWPT 技术的最新研究主要集中在设备级技术和硬件实现上。然而，有一些研究侧重于增强 LD 和 PV 阵列的效率特性，因此整个系统的系统效率特性仍然不明确。[给你 IEEE 文章]

图 1：基于激光的无线电力传输 (LWPT)

为了仔细检查系统效率特性，本文中的 LWPT 系统被建模为一个光耦合 DC/DC 转换器，如下图所示。从图中可以清楚地看出，电流对 LD 的性能有直接影响，因此对输入电流引起的系统效率进行了理论分析和实验测量。得出的结论是，LD输入电流的占空比会影响系统效率，这对LWPT技术领域有一定的贡献。借助不同输入电流占空比条件下传输功率与系统效率之间的关系，可以为系统控制方法提供指导。考虑到上述情况，可以通过有效利用LD和PV电池来优化系统。

图2：等效电路

系统效率特性的理论分析

LD的效率特性

在无线电力传输应用中，LD可以由连续电流（CC模式）或脉冲电流（脉冲模式）供电。4下图3（上）显示了在CC和脉冲模式下LD的关键波形。首先，我们研究了 LD 效率与其输入电流的关系，因为 LD 的性能受其输入电流的影响。从下图（下）可以看出，对于相同的输出光功率，LD输入电流的占空比越小，LD的效率越高。

图 3：测试测量

光伏阵列的效率特性

以脉冲模式驱动 LD 具有高效率的优势。因此，研究光伏阵列的效率如何随连续脉冲入射光功率变化的机制是很自然的。光伏阵列在最大功率点的电压和电流取决于辐照度水平和电池温度。

在标准环境条件下，辐照度水平为 1,000 W/m2，电池温度为 25˚C。

温度升高会降低光伏电池的效率。为了克服这个问题，LWPT 系统中使用了冷却系统，以将电池温度保持在尽可能低的水平。该冷却系统有助于实现光伏电池的最大性能。因此，得出结论可以忽略温度。

下图显示了不同激光脉冲占空比下效率与入射光功率的关系图。从图中可以很容易地看出，占空比越小，效率越高。因此，得出的结论是，为了在高激光强度下 PV 电池的有效性能，PV 阵列应该由脉冲激光照射。

图 4：光伏效率

系统的效率特性

对于 LWPT 系统，LD 和 PV 阵列的损耗是系统的主要影响因素，而不是其他组件。所以系统的效率是由LD和PV的效率决定的。如前所述，在专用 PV 电池的情况下，占空比对 LD 和 PV 阵列的效率具有相同的影响。因此，系统效率将随着占空比的降低而提高。

结论

在本文中，我们讨论并研究了 LWPT 系统。关于该系统的研究很少，本文已将这些研究考虑在内。简而言之，系统效率与LD输入电流的占空比直接相关；占空比越小，系统效率越高。因此，控制脉冲激光器的占空比是优化系统效率的关键因素。

审核编辑：郭婷