基于超声波的无线电能传输系统技术研究

• 作 者: 刘艺
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 超声波无线电能传输 压电换能器 频率跟踪 锁相环 超声电源 金属介质

无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)因其移动灵活性高、环境适应性强等特点,近年来受到越来越多的关注,得到了巨大的发展。然而,对于存在金属介质的场合,以电磁波等作为传输媒介的无线电能传输方式会受电磁感应的影响,不能有效传输能量。超声波作为一种机械波,具有定向性好、可在任何介质中传播、不受电磁感应影响的特点,为一些特殊用电设备,尤其是金属密闭设备,提供了一种新型的安全可靠的供电方式。因此,本文对基于超声波的无线电能传输系统展开了研究。为实现以超声波的形式无线传输能量,本文对超声波无线电能传输(Ultrasonic Power Transmission,UPT)系统进行了深入的研究。压电换能器是实现UPT系统电能-机械能-电能转换的器件,通过机电类比的方法,推导出压电换能器的等效电路,并利用阻抗分析仪实测其阻抗特性,验证理论推导的正确性。根据UPT系统的特点,对超声电源和接收电路进行原理分析与设计。通过等效电路图计算出UPT系统的传输特性,对引起系统损耗的各个因素进行研究与计算,给出UPT系统整体效率的计算方法,并指出压电换能器转换效率的最优化是提高UPT系统整体效率的关键因素。为实现UPT系统的效率优化,提出一种基于频率跟踪技术的自适应控制策略,维持压电换能器工作在谐振频率处即可实现UPT系统的效率最优。根据压电换能器的工作特性,在对比电流、功率及相位控制三种方案后,选定相位控制方案。相位控制可通过锁相环技术实现,分别对数字和模拟锁相环进行了研究,结合换能器的特点,给出了模拟锁相环路的具体实现方法,控制压电换能器始终工作在谐振频率处,实现系统的效率优化。本文研制了一套完整的UPT系统,传输介质为金属铝,传输距离为38mm,谐振频率约40kHz。交流负载时,控制其输入功率等于10W,对比不同激励电压频率下UPT系统效率的变化,同时,通过锁相环控制环路,维持换能器始终工作在谐振频率点,实现系统效率的最优化。直流负载时,控制其输出电压为24VDC,可实现对金属密闭容器内部电池的供电。通过实验验证以超声波形式实现能量无线传输的可行性,以及本文所提出的效率优化方法的正确性。