摘 要： 耦合諧振無線電力傳輸是一種新的電力傳輸技術(shù)，傳輸距離和效率是這項(xiàng)技術(shù)取得突破的關(guān)鍵。從發(fā)生耦合諧振的收發(fā)線圈電路模型出發(fā)，找出了線圈失諧是效率降低的關(guān)鍵因素。進(jìn)而，設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率跟隨電路，通過檢測線圈電流的大小，并與最大電流進(jìn)行比較，而后改變線圈的自諧振頻率使電流保持最大，從而實(shí)現(xiàn)諧振頻率對發(fā)射源頻率的跟隨，減小失諧對傳輸效率的影響，提高耦合諧振電力無線傳輸?shù)男省?br /> 關(guān)鍵詞： 耦合諧振；失諧；頻率跟隨；收發(fā)線圈
無線電力傳輸技術(shù)主要有3種：電磁感應(yīng)技術(shù)、微波技術(shù)和耦合諧振技術(shù)。利用電磁感應(yīng)技術(shù)可在近距離傳輸較大的電能而且效率較高，但是這種方法的傳輸距離只在1 cm之內(nèi)，極大地限制了其發(fā)展。采用微波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離電能無線傳輸，但是這種技術(shù)需要復(fù)雜的跟蹤定位系統(tǒng)而且效率較低。2007年，MIT的科學(xué)家利用耦合諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中等距離的無線電力傳輸，使無線電力傳輸取得了突破性進(jìn)展[1-6]。
然而，現(xiàn)階段關(guān)于耦合諧振無線電力傳輸理論和實(shí)驗(yàn)研究比較欠缺，特別是在諧振過程中，受外界干擾等方面的影響易導(dǎo)致失諧，引起效率大大降低。目前這方面的研究多集中在使發(fā)射源跟蹤發(fā)射線圈的頻率來減小失諧對效率的影響[7]。本文從理論上提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即通過對發(fā)射線圈的電流檢測實(shí)現(xiàn)對發(fā)射線圈諧振頻率的實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對發(fā)射源頻率的跟蹤，使傳輸效率最高，為以后的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。
1 耦合諧振原理
1.1 耦合諧振工作原理
耦合諧振無線電力傳輸系統(tǒng)如圖1所示，包括發(fā)射功率源、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載。其中，發(fā)生耦合諧振的只有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)發(fā)射源的頻率與收發(fā)線圈固有諧振頻率一致時(shí)，發(fā)射回路和接收回路阻抗最低，收發(fā)線圈流過的電流最大，此時(shí)系統(tǒng)效率最高。相反，如果兩者頻率不一致，即處于失諧狀態(tài)，則大部分的能量會消耗在線圈阻抗上，效率降低。因此，保持線圈的固有諧振頻率與發(fā)射源的頻率一致是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
1.2 失諧原因
將兩線圈等效，如圖2所示，其中LS、LD分別代表發(fā)射線圈和接收線圈，Uin代表前級等效信號源，RS、CS分別表示發(fā)射線圈的電阻和分布電容，RD、CD分別表示接收線圈的電阻和分布電容，RL為負(fù)載電阻，M為互感，D為兩線圈之間的距離[8]。
同理，當(dāng)其他含有電抗元件的電子設(shè)備靠近時(shí)，線圈自身的諧振頻率也會受到影響。此外，外界的環(huán)境變化（溫度）也會對系統(tǒng)電抗參數(shù)造成一定的影響。
2 耦合諧振無線電力傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.3 頻率跟蹤控制設(shè)計(jì)
此部分主要由高頻電流檢測、AC/DC轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、頻率控制電路來實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。
利用電流傳感器檢測線圈回路的電流，將檢測到的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號，再將直流模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理，記錄電流的一個(gè)最大值，當(dāng)電流小于最大電流時(shí)通過改變輸出電壓改變數(shù)字電位器的輸出阻值，數(shù)字電位器的輸出阻值的變化使得變?nèi)荻O管上的電壓發(fā)生變化，從而改變了并入線圈回路的電容值，調(diào)整的結(jié)果是使線圈諧振。
本設(shè)計(jì)利用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流測量?；魻栯娏鱾鞲衅魇抢没魻柶骷楹诵拿舾性糜诟綦x檢測電流的模塊化產(chǎn)品。眾所周知，當(dāng)電流流過一根導(dǎo)線時(shí)將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場且磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此利用霍爾器件測得的輸出信號，可直接反映出導(dǎo)線中的電流大小?；魻栯娏鱾鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是不用改變原電路結(jié)構(gòu)即能進(jìn)行隔離檢測電流。單片機(jī)選用AT89C51系列，A/D轉(zhuǎn)換器件選用AD590系列，數(shù)字電位器選用X9312WP，它是一種通過改變輸入電壓來改變輸出電阻的集成電路，可輸出的阻值范圍為0～100 kΩ。
3 頻率控制流程框圖
圖9所示為單片機(jī)系統(tǒng)的編程流程圖。在實(shí)際工作過程中，系統(tǒng)在穩(wěn)定的諧振工作狀態(tài)下線圈中的電流最大，此時(shí)單片機(jī)記錄最大工作電流Imax。當(dāng)外界環(huán)境干擾使線圈的諧振頻率發(fā)生變化時(shí)，線圈回路的電流也會改變。單片機(jī)系統(tǒng)對輸入的電流信號進(jìn)行檢測，若輸入的電流信號I大于單片機(jī)額定工作電流Ie，系統(tǒng)停止工作；若電流信號I小于單片機(jī)額定工作電流Ie，系統(tǒng)經(jīng)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)線圈失諧時(shí)I<Imax，單片機(jī)調(diào)整輸出電壓U的大小使電流I增大，找出并記錄此時(shí)的最大電流值Imax，電流最大時(shí)線圈重新處于諧振[11]。
耦合諧振無線電力傳輸技術(shù)的關(guān)鍵在于提高傳輸效率和傳輸距離。本設(shè)計(jì)在耦合諧振無線電力傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用頻率控制技術(shù)解決了由于諧振頻率實(shí)時(shí)變化帶來的傳輸效率低下問題，對以后的研究具有借鑒意義。
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