摘 要： 耦合諧振無線電力傳輸是一種新的電力傳輸技術，傳輸距離和效率是這項技術取得突破的關鍵。從發生耦合諧振的收發線圈電路模型出發，找出了線圈失諧是效率降低的關鍵因素。進而，設計了一個頻率跟隨電路，通過檢測線圈電流的大小，并與最大電流進行比較，而后改變線圈的自諧振頻率使電流保持最大，從而實現諧振頻率對發射源頻率的跟隨，減小失諧對傳輸效率的影響，提高耦合諧振電力無線傳輸的效率。
關鍵詞： 耦合諧振；失諧；頻率跟隨；收發線圈
無線電力傳輸技術主要有3種：電磁感應技術、微波技術和耦合諧振技術。利用電磁感應技術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，極大地限制了其發展。采用微波技術能夠實現遠距離電能無線傳輸，但是這種技術需要復雜的跟蹤定位系統而且效率較低。2007年，MIT的科學家利用耦合諧振技術實現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展[1-6]。
然而，現階段關于耦合諧振無線電力傳輸理論和實驗研究比較欠缺，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射源跟蹤發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化設計方案，即通過對發射線圈的電流檢測實現對發射線圈諧振頻率的實時控制，進而實現對發射源頻率的跟蹤，使傳輸效率最高，為以后的設計和實驗提供依據。
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如圖1所示，包括發射功率源、發射線圈、接收線圈和負載。其中，發生耦合諧振的只有發射線圈和接收線圈。當發射源的頻率與收發線圈固有諧振頻率一致時，發射回路和接收回路阻抗最低，收發線圈流過的電流最大，此時系統效率最高。相反，如果兩者頻率不一致，即處于失諧狀態，則大部分的能量會消耗在線圈阻抗上，效率降低。因此，保持線圈的固有諧振頻率與發射源的頻率一致是設計的關鍵。
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為負載電阻，M為互感，D為兩線圈之間的距離[8]。
同理，當其他含有電抗元件的電子設備靠近時，線圈自身的諧振頻率也會受到影響。此外，外界的環境變化（溫度）也會對系統電抗參數造成一定的影響。
2 耦合諧振無線電力傳輸系統優化設計
2.3 頻率跟蹤控制設計
此部分主要由高頻電流檢測、AC/DC轉換、A/D轉換、信號處理、頻率控制電路來實現，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換成直流信號，再將直流模擬信號經過A/D轉換后輸入到單片機系統中，經單片機系統處理，記錄電流的一個最大值，當電流小于最大電流時通過改變輸出電壓改變數字電位器的輸出阻值，數字電位器的輸出阻值的變化使得變容二極管上的電壓發生變化，從而改變了并入線圈回路的電容值，調整的結果是使線圈諧振。
本設計利用霍爾電流傳感器進行電流測量。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品。眾所周知，當電流流過一根導線時將在導線周圍產生磁場且磁場的大小與流過導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系，因此利用霍爾器件測得的輸出信號，可直接反映出導線中的電流大小。霍爾電流傳感器的優點是不用改變原電路結構即能進行隔離檢測電流。單片機選用AT89C51系列，A/D轉換器件選用AD590系列，數字電位器選用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所示為單片機系統的編程流程圖。在實際工作過程中，系統在穩定的諧振工作狀態下線圈中的電流最大，此時單片機記錄最大工作電流Imax。當外界環境干擾使線圈的諧振頻率發生變化時，線圈回路的電流也會改變。單片機系統對輸入的電流信號進行檢測，若輸入的電流信號I大于單片機額定工作電流Ie，系統停止工作；若電流信號I小于單片機額定工作電流Ie，系統經行數據處理，當線圈失諧時I<Imax，單片機調整輸出電壓U的大小使電流I增大，找出并記錄此時的最大電流值Imax，電流最大時線圈重新處于諧振[11]。
耦合諧振無線電力傳輸技術的關鍵在于提高傳輸效率和傳輸距離。本設計在耦合諧振無線電力傳輸系統的基礎上利用頻率控制技術解決了由于諧振頻率實時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。
參考文獻
[1] HIRAI J J，KIM T W，KAWAMURA A.Wireless transmission of power and information for cableless linear motor drive[J]. IEEE Transactions on Electronics Power，2000，15(1)：21-27.
[2] ESSER A，SKUDELNY H C.A new approach to power supplies for robots[J].IEEE Transactions on Applications Industry，1999，27(5)：871-875.
[3] MANOLATOU C，KHAN M J，Fan Shanhui，et al.Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics，1999，35(9)：1322-1331.
[4] 聶一雄，文波，劉藝.無接觸功率傳輸技術[J].電力科學與技術學報，2010，25（3）：13-24.
[5] SOLJACIC，KURS A，KARALIS A，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resnoances[J].Science，2007，317(5834)：83-86.
[6] 李陽，楊慶新，閆卓，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的頻率特性[J].電機與控制學報，2012，16（7）：7-11.
[7] 傅文珍，張波，丘東元.基于諧振耦合的電能無線傳輸系統設計[J].機電工程學報，2011，28(6)：746-749.
[8] 傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報，2009，29(18)：21-26.
[9] GROVER F W.Inductance calculations[M].New York：Courier Dover Publication，2004.
[10] 唐金元，于潞，王波.自動天線調諧器的調諧算法和調諧流程[J].儀表技術，2012（8）：5-8.
[11] 高寒.應用單片機控制的感應加熱電源頻率跟蹤調功方式[J].濰坊學院學報，2011，11（2）：8-11.