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(huì)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(huì)受到影響,。此外，外界的環(huán)境變化（溫度）也會(huì)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,。霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離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,。霍爾電流傳感器的優(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(huì)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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