【2017年整理】无线电能传输
17页1、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
2、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 1mw100mw 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
3、,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
4、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 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
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