频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究

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、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）、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为线圈之间的互感，d为传输距离。图1lc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。(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，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，l2=25mh，c2=1.0nf。高频条件下，空心线圈寄生电阻主要包括线圈损耗电阻ro和辐射损耗电阻rr，它们的定义分别为[15]：(8)(9)式中μ0为空间磁导率；r为线圈半径；n为线圈匝数a为导线半径；σ为电导率；l为导线长度；ε0为空气介电常数；h为线圈宽度；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1～50mhz，此时一般有rrro，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（8）式则可计算出l1和l2的寄生电阻分别为r1=0.014ω，r2=0.139ω。为方便分析线圈电感量变化对效率的影响，将耦合系数k及负载rl固定为一常数，谐振耦合为弱耦合，k值可以取得比较小，如本文取k=0.02，而根据主电路负载匹配原理可取rl=10ω。将具体参数分别代入(6)，(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。（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（f=1mhz）图2效率与各影响因素的关系曲线图2(a)、(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（也即失谐）是影响电能无线传输效率的主要因素，它远超过接收线圈电感量变化对效率的影响。由图2(c)、(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，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。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，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，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（2）相位补偿方法实际电路中，电流采样、锁相跟踪、隔离驱动及mosfet通断等都需要时间，引起谐振电压滞后谐振电流一个相角度，使得高频谐振逆变器工作在容性状态。因此，需要对系统进行相位补偿，使逆变器工作在准谐振状态，使尽可能多的能量被接收端负载吸收。相位补偿电路及波形图如图5所示，vp为电流检测后的差分放大电压，将其整流得到一直流电压作为相位补偿的参考电压vref。这样，vref随检测电流成正比变化，从而保证补偿相位不随检测电流的波动而波动。调节可调电阻rp就可调节vref，从而灵活调节δt，实现相位补偿。(a)补偿电路(b)波形图5相位补偿电路及波形图（3）锁相环控制方法锁相环主要由鉴相器(pc1，pc2，pc3)、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，跟踪范围为0.99mhz～1.1mhz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。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fmax～fmin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