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1、1 / 16 电能给人类带来巨大的发展，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，给人们带来极大的不便 ， 因 此 人 类 一 直 有 摆 脱 电 线 的 束 缚 实 现 电 能 无 线 传 输 的 梦 想 。迄今为止，人们提出了三种电能无线传输方式：一是微波线电能传输方式。该方式利用无线电波收发原理传输电能，传输功率只能在几毫瓦至一百毫瓦之间，应用范围不大；二是电磁感应无线电能传输方式。该方式利用变压器原副边耦合原理传输电能，传输功率大，效率高，但距离很近，仅在1cm 内，目前已在轨道交通方面应用；三是谐振耦合电能无线传输方式。该方式利用电路中电感电容谐振原理传输电能，理论上电能的传输功率、
2、传输距离不受限制。该技术的传输距离和功率从2007年的 2m 、 60w ，进展到 2008年底的 5m 、800w ，是当前最有希望突破传输距离和传输功率的一种电能 无 线 传 输 技 术 ， 但 该 技 术 还 存 在 谐 振 线 圈 尺 寸 过 大 和 容 易 失 谐 等 问 题 。该文追踪国际研究热点，力图解决谐振耦合电能无线传输方式中收发线圈谐振频率失谐的问题。该文从谐振耦合电能无线传输系统的电路模型入手，分析了系统各部分参数与传输效率之间的关系，研究发现发射线圈电感量的变化对传输效率的影响较大，而接收线圈电感量的变化对效率影响较小，进而提出采用锁相环频率跟踪的技术，确保收发线圈工作
3、在谐振频率上，保证系统的传输效率，最后用实验结果验证了所设计的频率跟踪系统的可行性。该文的成果对谐振耦合电能无线传输方式的实际应用有重要的指导意义。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
4、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 16 页2 / 16 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
5、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）、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
6、输系统。2 谐振耦合电能传输的失谐机理及传输效率分析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为线
7、圈之间的互感， d 为传输距离。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 16 页3 / 16 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
8、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为简化分析，将收发回路阻抗分别记为z1、z2，则由式 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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 16 页4 / 16 (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 谐振时有 z1=r1，z2=r2+r1，则式 (5或(6又可写为 (7由式 (9式中 0为空间磁导率； r 为线圈半径； n 为线圈匝数 a 为导线半径；为电导率； l 为导线长度；0为空气介电常数； h 为
9、线圈宽度； c 为光速。谐振耦合无线电能传输距离与互感关系式13 (10式(9可知，谐振耦合电能无线传输互感与距离三次方成反比，即距离越远，耦合越小，效率越低。对于谐振耦合电能无线传输系统，其最佳自谐振频率一般为150 mhz，此时一般有 rr ro，即可忽略辐射损耗，则线圈寄生电阻主要为线圈损耗电阻。为尽量减少谐振电感线圈的寄生参数，本文设计发射回路和接收回路的空心线圈l1及 l2的尺寸参数分别为： a1=0.725mm ，a2=0.362mm ；n1=2，n2=10；r1=r2=5cm ，根据 ，(7两式，以发射电感线圈l1及接收电感线圈l2，传输距离 d 及频率 f 为自变量，传输效率为
10、应变量，得到的效率与各影响因素的关系曲线分别如图2所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 16 页6 / 16 a）发射线圈电感影响 b）接收线圈电感影响c）工作频率影响 d=3cm ） d ）距离影响 、(b中，当发射线圈电感量偏移理论值0.05mh，即 2% 的理论值时，传输效率下降了30%以上；而当接收线圈电感量偏移理论值相同比例时，效率变化却不大。由此可知，发射线圈电感量的微小变化 、(d可知，传输效率随谐振频率的上升逐渐增加，随距离的增加迅速减小，系统设计中，传输距离和谐振频率一旦确定，对应的传输效率即确定。因此
11、，谐振电感量变化是导致系统工作过程中效率下降的主要原因之一。从而，本文设计了自调谐电能无线传输系统，当发射线圈电感量发生变化时，系统自动调整发射频率，使发射端始终工作在谐振点上，从而保证无线传输系统不会因失谐而导致效率迅速下降。3 频率跟踪系统3.1 频率跟踪原理频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统原理图如图3所示，主要包括高频谐振逆变器、lc 谐振耦合和频率跟踪三部分。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 16 页7 / 16 图3 频率跟踪系统原理图高频逆变部分选用高频e 类双管 llc谐振逆变器，该逆变器的特点如下：直接用
12、谐振电感代替高频变压器传递能量，减少了变压器损耗的同时，可以大大提高无线传输距离；另外，两开关管同时工作在 zvs 和 zcs 状态，大大减少开关损耗，提高了发射源本身的效率；并且两开关管工作时不需要死区时间，特别适合高频使用。lc 谐振耦合部分主要将逆变部分的高频能量从电源端传递到负载端。频率跟踪部分主要由高频电流检测、差分放大、相位补偿比较、锁相跟踪等几部分组成。频率跟踪部分的工作原理如下：电流互感器检测发射谐振回路的电流，所检测的电流被转换为信号电压 vd。vd经差分放大后得到vp。对 vp进行相位补偿，并与参考电压比较，得到与发射回路谐振频率一致的脉冲电压vv。vc输入到锁相环，锁相环
13、输出一个与vc频率相同的脉冲到pwm 驱动器，控制主电路开关管的通断，从而使开关频率跟随lc谐振耦合频率变化，实现对发射回路的频率跟踪控制。3.2 频率跟踪方法1）高频电流检测方法对发射回路谐振频率进行跟踪控制，首先要对其频率实时检测。已知系统的无线传输频率为1mhz ，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 16 页8 / 16 故需要用高频性能好且不容易饱和的磁芯绕制电流互感器。由于发射谐振回路不与地相连，使得电流检测必须是差分电流检测，本文所设计的高频电流检测见图4。高频电流经电流互感器和检测电阻r 后，变成电压信号输出，
14、此电压信号为差动电压，必须经过差动运放后再接入后级电路。根据差分放大电路原理可知，图4中有 r3=r4，r5=r6。图4 高频电流检测电路补偿电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 16 页9 / 16 (b 波形图5 相位补偿电路及波形图、外接 rc 无源滤波器和压控振荡器(vco组成。 74hc4046锁相电路见图 6所示， vco 中心频率由 11脚所接电阻及电容c3确定； 12脚所接电阻用来确定锁相环偏移频率，当该电阻减小时，偏移频率增加，即锁相范围变大。根据74hc4046典型特性工作曲线，在工作频率为 1mhz
15、，跟踪范围为 0.99mhz1.1mhz 时， 11、12脚所接电阻及电容c3的大小如图 6中所示。锁相环输出脉冲vcoout 与其输入脉冲vc进入鉴相器 pc2进行比较，当两者存在相位差时，pc2输出一个电压信号，此电压控制9脚输入，从而改变vco 振荡频率，使vcoout频率不断接近vc，直到两者相位一致，锁相环输入与输出同步，实现频率跟踪。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 16 页10 / 16 图6 锁相环锁相控制电路由于主电路在启动过程中，电流不能立刻建立，导致主电路开关管的驱动不能立即生成，故系统无法自启动。为
16、解决此问题，本文利用74hc4046自身特点，由r11，r12，c5，d1组成自启动电路。当锁相环加电源后，电容c5瞬间短路， vcoin的电压从最大值开始下降，此时锁相环输出端vcoout的脉冲从最大跟踪频率fmax 开始下降到最小跟踪频率fmin，只要 lc 固有谐振频率在fmaxfmin之间，系统就能自动入锁。4 实验结果根据 2.2 节中的参数，本文设计制作了一个频率为1mhz的谐振耦合系统。高频e 类双管谐振逆变器输出功率为 30w左右。开关管采用结电容较小的irf840 ；pwm驱动采用 ucc27325高速集成驱动芯片，该芯片具有 4a的驱动能力，能满足1mhz频率的快速驱动；接
17、收端用25w/110v 的灯泡作为负精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 16 页11 / 16 载；差分放大和比较器分别采用高速运放lm318和高速比较器lm311；隔离部分选用高速光耦6n137，其工作频率可达 4mhz 。为验证频率跟踪电路设计的准确性，实验时，微调发射回路谐振电感l1 的大小，使发射回路的谐振频率在锁相环跟踪范围0.99mhz1.1mhz 内变化，测得不同频率下比较器输出脉冲vc与锁相环74hc4046输出脉冲 vcoout的波形如图 7所示。由图可知，在本文设计的频率跟踪范围内，锁相环的输出脉冲 v
18、coout与被跟踪对象vc具有很好的一致性。(af=0.993mhz (bf=1.001mhz精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 16 页12 / 16 (c f=1.047mhz (df=1.103mhz图7 不同频率下的频率跟踪效果vd、vp、vc的波形如图 8所示，可见三者实验波形与理论分析相吻合。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 16 页13 / 16 图8 检测、运放及比较器输出电压在参数相同的情况下，有频率跟踪与无频率跟踪的谐振耦合电能无
19、线传输系统的负载电压波形如图9所示，此时系统的直流输入为30v/1.0a ，传输距离 d为3cm 。有频率跟踪时，如图9(a，输出电压为正弦波，其有效值为 106.8v ；无频率跟踪时，如图9(b，输出电压有效值为68.7v ，且负载电压波形略有畸变。两者相比，显然频率跟踪时输出电压损失小，功率传输能力强、质量高，传输效率高。(a 有频率跟踪(b 无频率跟踪图9 负载输出电压波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 16 页14 / 16 进一步改变传输距离d，d 分别为 3cm 、5cm 、10cm 、15cm和20cm时
20、，测得的有频率跟踪与无频率跟踪的系统传输效率曲线如图10所示。可见，有频率跟踪的效率在不同距离下均高于无频率跟踪的效率；且随距离增加，效率下降迅速，这是因为谐振耦合的互感与距离的三次方成反比，与理论分析一致。图10 不同距离下的效率曲线5 结束语通过对 lc 谐振耦合电能无线传输的理论分析，本文发现当发射线圈的电感量发生微小变化时，传输效率大大减小，而接收线圈的电感变化对传输效率影响并不明显。在此基础上，本文设计了一频率跟踪系统，实现了发射线圈的频率跟踪控制。实验结果证明，采用频率跟踪时，电能传输效果比无频率跟踪时高。从而解决了谐振耦合电能无线传输中由于谐振频率失谐带来的传输效率低下问题，有利
21、于该技术的进一步推广与应用。作者简介傅文珍 (1984- 女 硕士，主要从事开关电源、电能无线传输的研究。张 波(1962- 男 博士生导师 / 教授，主要研究电子装置及应用、国内外非线性分析、混沌控制理论及应用、潜电路分析及无线输电系统等。丘东元 (1972- 女 硕士研究生导师 / 副教授，主要研究电力电子系统与装置、开关电源、潜电路在开关电源中的应用等。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 16 页15 / 16 参考文献1 hirai j j, kim t w, kawamura a. wireless transm
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