摘 要： 耦合谐振无线电力传输是一种新的电力传输技术，传输距离和效率是这项技术取得突破的关键。从发生耦合谐振的收发线圈电路模型出发，找出了线圈失谐是效率降低的关键因素。进而，设计了一个频率跟随电路，通过检测线圈电流的大小，并与最大电流进行比较，而后改变线圈的自谐振频率使电流保持最大，从而实现谐振频率对发射源频率的跟随，减小失谐对传输效率的影响，提高耦合谐振电力无线传输的效率。
关键词： 耦合谐振；失谐；频率跟随；收发线圈
无线电力传输技术主要有3种：电磁感应技术、微波技术和耦合谐振技术。利用电磁感应技术可在近距离传输较大的电能而且效率较高，但是这种方法的传输距离只在1 cm之内，极大地限制了其发展。采用微波技术能够实现远距离电能无线传输，但是这种技术需要复杂的跟踪定位系统而且效率较低。2007年，MIT的科学家利用耦合谐振技术实现了中等距离的无线电力传输，使无线电力传输取得了突破性进展[1-6]。
然而，现阶段关于耦合谐振无线电力传输理论和实验研究比较欠缺，特别是在谐振过程中，受外界干扰等方面的影响易导致失谐，引起效率大大降低。目前这方面的研究多集中在使发射源跟踪发射线圈的频率来减小失谐对效率的影响[7]。本文从理论上提出一种优化设计方案，即通过对发射线圈的电流检测实现对发射线圈谐振频率的实时控制，进而实现对发射源频率的跟踪，使传输效率最高，为以后的设计和实验提供依据。
1 耦合谐振原理
1.1 耦合谐振工作原理
耦合谐振无线电力传输系统如图1所示，包括发射功率源、发射线圈、接收线圈和负载。其中，发生耦合谐振的只有发射线圈和接收线圈。当发射源的频率与收发线圈固有谐振频率一致时，发射回路和接收回路阻抗最低，收发线圈流过的电流最大，此时系统效率最高。相反，如果两者频率不一致，即处于失谐状态，则大部分的能量会消耗在线圈阻抗上，效率降低。因此，保持线圈的固有谐振频率与发射源的频率一致是设计的关键。
1.2 失谐原因
将两线圈等效，如图2所示，其中LS、LD分别代表发射线圈和接收线圈，Uin代表前级等效信号源，RS、CS分别表示发射线圈的电阻和分布电容，RD、CD分别表示接收线圈的电阻和分布电容，RL为负载电阻，M为互感，D为两线圈之间的距离[8]。
同理，当其他含有电抗元件的电子设备靠近时，线圈自身的谐振频率也会受到影响。此外，外界的环境变化（温度）也会对系统电抗参数造成一定的影响。
2 耦合谐振无线电力传输系统优化设计
2.3 频率跟踪控制设计
此部分主要由高频电流检测、AC/DC转换、A/D转换、信号处理、频率控制电路来实现，如图8所示。
利用电流传感器检测线圈回路的电流，将检测到的交流信号转换成直流信号，再将直流模拟信号经过A/D转换后输入到单片机系统中，经单片机系统处理，记录电流的一个最大值，当电流小于最大电流时通过改变输出电压改变数字电位器的输出阻值，数字电位器的输出阻值的变化使得变容二极管上的电压发生变化，从而改变了并入线圈回路的电容值，调整的结果是使线圈谐振。
本设计利用霍尔电流传感器进行电流测量。霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品。众所周知，当电流流过一根导线时将在导线周围产生磁场且磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此利用霍尔器件测得的输出信号，可直接反映出导线中的电流大小。霍尔电流传感器的优点是不用改变原电路结构即能进行隔离检测电流。单片机选用AT89C51系列，A/D转换器件选用AD590系列，数字电位器选用X9312WP，它是一种通过改变输入电压来改变输出电阻的集成电路，可输出的阻值范围为0～100 kΩ。
3 频率控制流程框图
图9所示为单片机系统的编程流程图。在实际工作过程中，系统在稳定的谐振工作状态下线圈中的电流最大，此时单片机记录最大工作电流Imax。当外界环境干扰使线圈的谐振频率发生变化时，线圈回路的电流也会改变。单片机系统对输入的电流信号进行检测，若输入的电流信号I大于单片机额定工作电流Ie，系统停止工作；若电流信号I小于单片机额定工作电流Ie，系统经行数据处理，当线圈失谐时I<Imax，单片机调整输出电压U的大小使电流I增大，找出并记录此时的最大电流值Imax，电流最大时线圈重新处于谐振[11]。
耦合谐振无线电力传输技术的关键在于提高传输效率和传输距离。本设计在耦合谐振无线电力传输系统的基础上利用频率控制技术解决了由于谐振频率实时变化带来的传输效率低下问题，对以后的研究具有借鉴意义。
参考文献
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