CN108494102B - 一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，包括顺次连接的直流电源、电场耦合式无线电能传输电路、滤波电路以及负载电阻，所述电场耦合式无线电能传输电路包括顺次连接的高频逆变电路、原边补偿电路、耦合结构、副边补偿电路以及高频整流电路，所述高频整流电路后端与滤波电路连接，所述副边补偿电路包括串联的电感L_s和电容C_s,以及与所述电感L_s和电容C_s并联的电容C_ls，所述电容C_ls与高频整流电路的前端并联；所述滤波电路包括电感L_r和电容C_r，所述电感L_r和电容C_r串联后与高频整流电路的后端并联，解决了现有技术中传输距离较短以及由于耦合结构中的极板之间发生偏移，造成系统传输效率过低的技术问题。

Description

一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构

技术领域

本发明涉及电场耦合式无线电能传输技术，尤其涉及一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构。

背景技术

无线电能传输技术已经存在了将近一个世纪，一直以来无线电力传输的最普遍形式是借助于电磁耦合式无线电能传输技术(IPT)实现的。IPT利用磁场传输电力，但处于磁场范围之内的金属会对传输电力的磁场产生屏蔽作用，并在磁场内部产生涡流，造成效率低、易发热等问题，限制了IPT的适用范围。因此近年来，学者们正在寻求各种无线电能传输技术做为IPT技术的替代品。其中，电场耦合式无线电能传输技术(CPT)是IPT技术的替代方案之一。

电场耦合式无线电能传输系统具有更好的稳定性和灵活性。电场在有金属障碍物的空间里传电不会造成能量损失，且不会导致周围金属产生涡流发热，所以CPT技术更适用于电动汽车等方面的无线电能传输。CPT系统另一个优势是经济性，CPT技术仅使用铝板等金属板，金属板具有导电性强、价格低、重量轻等优势。

但传统的CPT系统由于极板与极板的相对位置关系对电路的输送效率有很大的影响，使用过程中，由于极板的偏移，会影响电路的效率与输出功率，导致系统传输效率过低，从而限制了CPT系统的应用范围。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，解决了现有技术中传输距离较短以及由于耦合结构中的极板之间发生偏移，造成系统传输效率过低的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方法如下：

一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，包括顺次连接的直流电源、电场耦合式无线电能传输电路、滤波电路以及负载电阻，所述电场耦合式无线电能传输电路包括顺次连接的高频逆变电路、原边补偿电路、耦合结构、副边补偿电路以及高频整流电路，所述高频整流电路后端与滤波电路连接，所述副边补偿电路包括串联的电感L_s和电容C_s,以及与所述电感L_s和电容C_s并联的电容C_ls，所述电容C_ls与高频整流电路的前端并联；所述滤波电路包括电感L_r和电容C_r，所述电感L_r和电容C_r串联后与高频整流电路的后端并联。

进一步的，所述原边补偿电路包括电感L_p和电容C_p，且所述电感L_P和电容C_P串联后与所述高频逆变电路的后端并联。

进一步的，所述原边补偿电路与副边补偿电路的固有频率一致。

进一步的，所述耦合结构由四块极板P₁、P₂、P₃、P₄组成，所述极板P₁与P₃构成发射极板组，并分别并联在所述电容C_p两侧；所述极板P₂与P₄构成接收极板组，并分别并联在所述电容C_S两侧。

进一步的，所述极板P₁和P₂之间相互作用形成C₁₂，所述极板P₁和P₃之间形成电容C₁₃，所述极板P₁和P₄之间形成电容C₁₄，所述极板P₂和P₃之间形成电容C₂₃，所述极板P₂和P₄之间形成电容C₂₄，所述极板P₃和P₄之间形成电容C₃₄；所述电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄、电容C₂₃、电容C₂₄以及电容C₃₄之间等效成π型电容组。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明中，通过对副边补偿电路的合理设计，可以实现对调谐电路的有效控制，减弱了耦合结构中的π型电容组对系统的影响，使得极板之间发生大幅偏移时，也不过多地影响电路效率与输出功率,减小了耦合结构对系统整体的影响，使系统具有高抗偏移的特性，保证系统维持在稳定状态，提高系统的传输效率以及传输稳定性，扩展了CPT系统的应用范围。

2.传统的CPT系统中，增加极板之间的距离可增大系统的传输距离，但由于极板之间的偏移或距离增大会导致系统传输效率过低，因此仅适用于近距离传输的局限；本发明相比与传统的CPT系统，本系统中在增大极板之间的距离时对系统的传输效率以及传输稳定性影响较小，所以摆脱了传统CPT系统只能近距离传输的局限。

3.本发明中，高频整流电路前端与副边补偿电路中的电容C_ls并联，后端与滤波电路并联，通过对滤波电路的合理设计，滤波电路中的电感L_r和电容C_r串联，当高频整流电路中的两个二极管导通时，避免了电容C_ls和电容C_r并联导致两个电容发生改变，影响到滤波效果。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的电路图A；

图3为电路图A的等效图B；

图4为等效图B的简化图C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1、2所示，一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，包括顺次连接的直流电源、电场耦合式无线电能传输电路、滤波电路以及负载电阻，所述电场耦合式无线电能传输电路包括顺次连接的高频逆变电路、原边补偿电路、耦合结构、副边补偿电路以及高频整流电路，所述高频整流电路后端与滤波电路连接，所述副边补偿电路包括串联的电感L_s和电容C_s,以及与所述电感L_s和电容C_s并联的电容C_ls，所述电容C_ls与高频整流电路的前端并联；所述滤波电路包括电感L_r和电容C_r，所述电感L_r和电容C_r串联后与高频整流电路的后端并联。

作为优选的，所述原边补偿电路包括电感L_p和电容C_p，且所述电感L_P和电容C_P串联后与所述高频逆变电路的后端并联。

作为优选的，所述原边补偿电路与副边补偿电路的固有频率一致。

作为优选的，所述耦合结构由四块极板P₁、P₂、P₃、P₄组成，所述极板P₁与P₃构成发射极板组，并分别并联在所述电容C_p两侧；所述极板P₂与P₄构成接收极板组，并分别并联在所述电容C_S两侧。

作为优选的，所述极板P₁和P₂之间相互作用形成C₁₂，所述极板P₁和P₃之间形成电容C₁₃，所述极板P₁和P₄之间形成电容C₁₄，所述极板P₂和P₃之间形成电容C₂₃，所述极板P₂和P₄之间形成电容C₂₄，所述极板P₃和P₄之间形成电容C₃₄；所述电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄、电容C₂₃、电容C₂₄以及电容C₃₄之间等效成π型电容组。

本实施例中，所述直流电源、高频逆变电路、原边补偿电路、耦合结构、副边补偿电路、高频整流电路、滤波电路以及负载电阻依次并联连接，所述原边补偿电路包括电感L_p和电容C_p,电感L_p和电容C_p串联后与高频逆变电路的后端连接，所述耦合结构包括四块极板P₁、P₂、P₃以及P₄，所述极板P₁和P₂分别接在电容C_P的两端，所述副边补偿结构包括电容C_s、电感L_s以及电容C_ls,所述极板P₃和P₄分别接在电容C_s的两端，所述电感L_s与电容C_ls串联后并联在电容C_S的两端，所述高频整流电路并联在所述电容C_ls上，所述滤波电路包括串联的电感L_r和电容C_r,串联后的电感L_r和电容C_r与所述高频整流电路并联，所述负载电阻并联在电容C_R上。

根据π型电容组的计算公式，可将π型电容组等效为由电容C_m，电容C₁以及电容C₂组成的电容组，具体计算过程如下：

如图3所示，等效替换后的电路图为：电感L_p与电容C_p串联后与直流电源和高频逆变电路并联，电容C₁接在电容C_p的两端，电容C_m和电容C₂串联后接在电容C₁的两端，电容C_s接在电容C₂的两端，电感L_s和电容C_s串联后并联在电容C_s两端，负载电阻R_r并联在电容C_ls的两端。

如图4所示，将等效出的电容C₁与原边补偿电路中的C_p通过并联合并为电容C_p1，将电容C₂与副边补偿电路中的C_S通过并联合并为电容C_S1,电路图为：电感L_p与电容C_p1串联后与直流电源和高频逆变电路并联，电容C_m和电容C_s1串联后接在电容C_p1的两端，电感L_s和电容C_s串联后接在电容C_s1的两端，电容C_ls接负载R_r。

根据电路原理，当L_p与C_p1、L_s与C_s1谐振时，满足下列公式：

其中，C_p1为电容C_P1的电容值，C_s1为电容C_s1的电容值，L_p为电感L_p的电感值，L_s为电感L_s的电感值,ω为系统的频率。

设定电路中各个电器元件的关系如下：

L_s＝αL_p (5)

其中，α和β为参数值，C_m为电容C_m的电容值。

根据电路基本原理以及结合公式(2)-(5)可推知各支路的电流值如下：

I_p＝-jωβC_mU (7)

其中，I_in为输入电流值，U为输入电压值，R_r为负载电阻R_r的电阻值，C_ls为电容C_ls的电容值，j为复数中虚部的标识，I_p、I_s、I₀均为支路电流。

由于系统整体阻抗Z为：

由公式(5)-(9)可得出：

为了提高系统的传输功率，应使得Z的虚部为0。即

结合以上公式(1)-(12)进行分析，将电容C_lS等效至电容C_m后端，可作为一个与电容C_m串联的电感，当此电感与电容C_m完全谐振时，C_m可看做被抵消，在系统传输过程中不参与作用，因此，当极板之间发生偏移时，C_m的值对系统的输出效率与稳定性影响减弱，减小了耦合结构的等效电容对系统整体的影响，通过此结构，可看出本系统具有抗偏移特性。

同时，高频整流电路前端与副边补偿电路中的电容C_ls并联，后端与滤波电路并联，由于滤波电路中的电感L_r和电容C_r串联，当高频整流电路中的两个二极管导通时，避免了电容C_ls和电容C_r并联导致两个电容均发生改变，影响到滤波效果。

本发明的使用原理为：利用本发明进行工作时，直流电源电经过高频逆变器逆变成高频交流电能，高频交流电能在经过原边补偿电路后于发射极板P₁和P₃上激发出高频交变电场，接收极板P₂和P₄在发射极板激发的电场之中会感应出同频率的高频交流电能，在经过副边补偿电路后，通过整流滤波电路后变为稳定的直流电能供给负载电阻，在实际运用过程中，若发射极板和接收极板间发生偏移，会导致π型电容组中的C_m发生改变，但在副边补偿电路的作用下，减弱了C_m对电路的影响，因此，减弱了耦合结构中的π型电容组对系统的影响，使得极板之间发生大幅偏移时，也不过多地影响电路效率与输出功率；此外，在副边补偿电路和滤波电路的相互配合作用下，滤波电路的电容值不发生改变，保持原有的滤波效果。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，包括顺次连接的直流电源、电场耦合式无线电能传输电路、滤波电路以及负载电阻，所述电场耦合式无线电能传输电路包括顺次连接的高频逆变电路、原边补偿电路、耦合结构、副边补偿电路以及高频整流电路，所述高频整流电路后端与滤波电路连接，其特征在于，所述副边补偿电路包括串联的电感L_s和电容C_s,以及与所述电感L_s和电容C_s并联的电容C_ls，所述电容C_ls与高频整流电路的前端并联；所述滤波电路包括电感L_r和电容C_r，所述电感L_r和电容C_r串联后与高频整流电路的后端并联；

所述原边补偿电路包括电感L_p和电容C_p，且所述电感L_p和电容C_p串联后与所述高频逆变电路的后端并联

所述耦合结构由四块极板P₁、P₂、P₃、P₄组成，所述极板P₁与P₃构成发射极板组，并分别并联在所述电容C_p两侧；所述极板P₂与P₄构成接收极板组，并分别并联在所述电容C_s两侧；

所述极板P₁和P₂之间相互作用形成C₁₂，所述极板P₁和P₃之间形成电容C₁₃，所述极板P₁和P₄之间形成电容C₁₄，所述极板P₂和P₃之间形成电容C₂₃，所述极板P₂和P₄之间形成电容C₂₄，所述极板P₃和P₄之间形成电容C₃₄；所述电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄、电容C₂₃、电容C₂₄以及电容C₃₄之间等效成π型电容组；

将π型电容组等效为由电容Cm，电容C1以及电容C2组成的电容组：

其中α和β为参数值。

2.根据权利要求1所述的一种具有高抗偏移性的电场耦合式无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿电路与副边补偿电路的固有频率一致。

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