頻率跟蹤式諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)研究

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1、頻率跟蹤式諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)研究1?引言???電能無線傳輸一直是人類的夢想，許多國內(nèi)外科學(xué)家對此進(jìn)行不斷的研究。然而迄今為止，大部分的無線傳輸都還只是基于松散耦合的非接觸電磁感應(yīng)型及電波收發(fā)型[1-4]。關(guān)于這兩者已有一定的研究基礎(chǔ)[5-8]，并在日常生活得到應(yīng)用，如電動牙刷、家用無繩電話等。雖然松散耦合非接觸電能無線傳輸效率高達(dá)80%，但其傳輸距離僅限在1cm內(nèi)；而電波收發(fā)型傳輸距離可達(dá)10m，但傳輸功率只在1mW～100mW范圍內(nèi)，且無線電波向四周散射，效率極低。由此可見，由于傳輸效率和距離不可兼得的矛盾，上述兩種無線傳輸方法的應(yīng)用

2、范圍還不是很廣泛，而且在安全方面也存在效率低導(dǎo)致發(fā)熱量大的問題[9-11]。與這些方法相比，基于諧振耦合原理的電能無線傳輸能在5m范圍以內(nèi)傳輸，特定條件下傳輸效率可達(dá)40%以上，是一種應(yīng)用范圍更寬的新型技術(shù)[12-14]。另外，與電磁感應(yīng)型相比，諧振耦合采用的磁場要弱得多，卻可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離；與電磁波收發(fā)型相比，諧振耦合傳輸時能量逸散要少得多[15]。???盡管如此，現(xiàn)階段諧振耦合電能無線傳輸技術(shù)仍處于起步階段，相關(guān)理論和實驗研究還比較欠缺，尤其是效率影響的分析還不夠全面[16-17]。電能無線傳輸過程中，受外界障礙物（如導(dǎo)磁性物體等）

3、、接收端負(fù)載及電路工作溫度變化等各方面的影響，導(dǎo)致諧振電路中收發(fā)線圈電感量變化，從而引起諧振頻率的變化，即失諧，傳輸效率將迅速下降。???為克服上述問題，本文從基本的串聯(lián)諧振電路出發(fā)，建立LC諧振耦合無線電能傳輸模型，推導(dǎo)出傳輸效率與線圈電感量變化的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出基于鎖相環(huán)74HC4046的頻率跟蹤式LC諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)[18-19]，對發(fā)射線圈輸出頻率進(jìn)行實時檢測，實現(xiàn)發(fā)射源頻率對LC發(fā)射電路固有諧振頻率的同步跟蹤。最后，將此同步跟蹤控制應(yīng)用于諧振頻率為1MHz頻率的無線傳輸系統(tǒng)。2?諧振耦合電能傳輸?shù)氖еC機(jī)理及傳輸效率分析

4、2.1諧振耦合電能傳輸失諧機(jī)理???電磁場隨距離而迅速衰減，諧振耦合電能無線傳輸則利用兩個發(fā)生諧振耦合的電路來捕捉隨距離衰減的電磁場，即當(dāng)發(fā)射回路和接收回路發(fā)生諧振時，使大部分能量由發(fā)射回路傳遞到接收回路[13]。????諧振耦合電能無線傳輸除發(fā)射回路和接收回路外，還包括高頻發(fā)射功率源和接收功率的負(fù)載。為簡化起見，忽略高頻逆變的發(fā)射源部分，直接將收發(fā)電路作為研究對象，則諧振耦合模型如圖1所示，其中Vi為高頻發(fā)射源，R1、R2分別是兩諧振電感線圈在高頻下的寄生電阻，C1、C2為串聯(lián)諧振電容；RL為負(fù)載電阻；L1、L21分別為收發(fā)線圈的電感量，M

5、為線圈之間的互感，D為傳輸距離。圖1?LC諧振耦合電路???由圖1的LC諧振耦合電路可知，當(dāng)發(fā)射源Vi的頻率與收發(fā)電路的LC固有諧振頻率一致時，發(fā)射回路和接收回路阻抗最低，流過收發(fā)線圈的電流最大，此時，在一定傳輸范圍內(nèi)，發(fā)射回路大部分能量都能被接收回路吸收；相反，若兩者頻率不一致即失諧狀態(tài)，發(fā)射源大部分能量都消耗在發(fā)射回路本身而不會被接收回路吸收，效率極低。因此，保持發(fā)射源頻率和LC固有諧振頻率一致，不發(fā)生失諧是實現(xiàn)諧振耦合電能無線傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。2.2諧振耦合效率分析???由圖1，諧振耦合電能無線傳輸?shù)哪Ｐ涂梢杂煞匠蹋?）表示。??????

6、??(1)????為簡化分析，將收發(fā)回路阻抗分別記為Z1、Z2，則??????由式（1）可求得兩回路電流如下:????????????????????(2)???則發(fā)射回路的輸入功率Pin和接收回路中負(fù)載RL上的功率即輸出功率Pout為????????????????????????(3)???????????????????????(4)???傳輸效率為?????????????????(5)???將Z1、Z2及互感（k為耦合系數(shù)），代入式（5），則式（5）變?yōu)????????????????(6)???諧振時有Z1=R1，Z2=R2+R1

7、，則式(5)或(6)又可寫為???????????????????(7)???由式（6）可知，諧振耦合電能無線傳輸?shù)男逝c很多因素有關(guān)。當(dāng)諧振參數(shù)確定時，諧振電容即確定，而ω，R1,R2隨諧振電感變化而變化。因此，諧振線圈電感量最為重要。在工作過程中，除制作偏差導(dǎo)致諧振電感偏離理論計算值外，線圈周圍的環(huán)境，電路中寄生參數(shù)及電路溫升的變化都會導(dǎo)致線圈電感量變化。要保持諧振線圈的電感量與理論計算值完全一致比較困難，即容易導(dǎo)致LC諧振耦合回路的固有諧振頻率發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)失諧。一旦失諧，諧振耦合的效率會下降，因此需要分析線圈電感量變化對效率的影

8、響。?????設(shè)諧振耦合頻率為1MHz，根據(jù)文獻(xiàn)[20]給出的E類雙管諧振逆變器計算公式可得圖1中諧振耦合參數(shù)的理論計算值分別為：L1=2.35mH，C1=12nF