频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究

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1、频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究1 引言   电能无线传输一直是人类的梦想，许多国内外科学家对此进行不断的研究。然而迄今为止，大部分的无线传输都还只是基于松散耦合的非接触电磁感应型及电波收发型[1-4]。关于这两者已有一定的研究基础[5-8]，并在日常生活得到应用，如电动牙刷、家用无绳电话等。虽然松散耦合非接触电能无线传输效率高达80%，但其传输距离仅限在1cm内；而电波收发型传输距离可达10m，但传输功率只在1mW～100mW范围内，且无线电波向四周散射，效率极低。由此可见，由于传输效率和距离不可兼得的矛盾，上述两种无线传输方法的应用

2、范围还不是很广泛，而且在安全方面也存在效率低导致发热量大的问题[9-11]。与这些方法相比，基于谐振耦合原理的电能无线传输能在5m范围以内传输，特定条件下传输效率可达40%以上，是一种应用范围更宽的新型技术[12-14]。另外，与电磁感应型相比，谐振耦合采用的磁场要弱得多，却可以实现更远的传输距离；与电磁波收发型相比，谐振耦合传输时能量逸散要少得多[15]。   尽管如此，现阶段谐振耦合电能无线传输技术仍处于起步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其是效率影响的分析还不够全面[16-17]。电能无线传输过程中，受外界障碍物（如导磁性物体等）

3、、接收端负载及电路工作温度变化等各方面的影响，导致谐振电路中收发线圈电感量变化，从而引起谐振频率的变化，即失谐，传输效率将迅速下降。   为克服上述问题，本文从基本的串联谐振电路出发，建立LC谐振耦合无线电能传输模型，推导出传输效率与线圈电感量变化的关系，并在此基础上提出基于锁相环74HC4046的频率跟踪式LC谐振耦合电能无线传输系统[18-19]，对发射线圈输出频率进行实时检测，实现发射源频率对LC发射电路固有谐振频率的同步跟踪。最后，将此同步跟踪控制应用于谐振频率为1MHz频率的无线传输系统。2 谐振耦合电能传输的失谐机理及传输效率分析

4、2.1谐振耦合电能传输失谐机理   电磁场随距离而迅速衰减，谐振耦合电能无线传输则利用两个发生谐振耦合的电路来捕捉随距离衰减的电磁场，即当发射回路和接收回路发生谐振时，使大部分能量由发射回路传递到接收回路[13]。    谐振耦合电能无线传输除发射回路和接收回路外，还包括高频发射功率源和接收功率的负载。为简化起见，忽略高频逆变的发射源部分，直接将收发电路作为研究对象，则谐振耦合模型如图1所示，其中Vi为高频发射源，R1、R2分别是两谐振电感线圈在高频下的寄生电阻，C1、C2为串联谐振电容；RL为负载电阻；L1、L21分别为收发线圈的电感量，M

5、为线圈之间的互感，D为传输距离。图1 LC谐振耦合电路   由图1的LC谐振耦合电路可知，当发射源Vi的频率与收发电路的LC固有谐振频率一致时，发射回路和接收回路阻抗最低，流过收发线圈的电流最大，此时，在一定传输范围内，发射回路大部分能量都能被接收回路吸收；相反，若两者频率不一致即失谐状态，发射源大部分能量都消耗在发射回路本身而不会被接收回路吸收，效率极低。因此，保持发射源频率和LC固有谐振频率一致，不发生失谐是实现谐振耦合电能无线传输的关键部分。2.2谐振耦合效率分析   由图1，谐振耦合电能无线传输的模型可以由方程（1）表示。      

6、  (1)    为简化分析，将收发回路阻抗分别记为Z1、Z2，则      由式（1）可求得两回路电流如下:                    (2)   则发射回路的输入功率Pin和接收回路中负载RL上的功率即输出功率Pout为                        (3)                       (4)   传输效率为                 (5)   将Z1、Z2及互感（k为耦合系数），代入式（5），则式（5）变为                (6)   谐振时有Z1=R1，Z2=R2+R1

7、，则式(5)或(6)又可写为                   (7)   由式（6）可知，谐振耦合电能无线传输的效率与很多因素有关。当谐振参数确定时，谐振电容即确定，而ω，R1,R2随谐振电感变化而变化。因此，谐振线圈电感量最为重要。在工作过程中，除制作偏差导致谐振电感偏离理论计算值外，线圈周围的环境，电路中寄生参数及电路温升的变化都会导致线圈电感量变化。要保持谐振线圈的电感量与理论计算值完全一致比较困难，即容易导致LC谐振耦合回路的固有谐振频率发生变化，从而使系统失谐。一旦失谐，谐振耦合的效率会下降，因此需要分析线圈电感量变化对效率的影

8、响。     设谐振耦合频率为1MHz，根据文献[20]给出的E类双管谐振逆变器计算公式可得图1中谐振耦合参数的理论计算值分别为：L1=2.35mH，C1=12nF