CN108599400B - 层叠式耦合机构及其构成的ecpt系统和系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法，所述耦合机构的电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板，所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙，内侧极板为高压极板，外侧极板为低压极板。将该耦合机构应用在ECPT系统中并配合使用提出的系统参数设计方法，其效果是：在保证系统具有良好传输性能的同时，能够有效抑制系统耦合机构周围漏电场的大小。

Description

层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(WPT)技术是一种综合应用电力电子技术、电磁场理论、现代控制理论与技术等，通过软介质(如磁场、电场、微波、激光)以非电气接触模式实现电网或电池与用电设备之间电能传输的技术。目前，已有越来越多科研工作者投入到该技术的研究中，促进其在医疗器械、电动汽车、轨道交通、水下探测等诸多领域的运用。其中，电场耦合电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer,ECPT)技术以很薄的金属极板作为耦合机构，借助极板上高频电压激发出的电场实现能量的传输，其具有耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低；工作中绝大部分电通量分布于耦合机构中间，电磁干扰很小；不会在耦合机构周围及其之间的金属导体上产生涡流损耗；可以穿透金属传递电能等特点。由于具备这些独特优势，ECPT技术已逐渐受到国内外众多研究团队的青睐。目前，其研究重点主要集中于系统能量传输功率、效率、传输距离及能量信号同步传输等性能的提升。

ECPT系统耦合机构极板需要高频高压激励才能有效地传输电能，所以系统一般需要通过谐振网络对输入电压进行数十倍的抬升。这就使得极板的端电压较大，尤其是在大功率应用场合，极板电压可能达到数千伏。过高的极板电压一方面会使得系统周围的金属导体产生静电感应电压，给周围生物体带来触电危险，另一方面高压极板所激发出的强电场对周围生物体也会产生不良影响。目前，针对ECPT系统电磁环境安全性问题所展开的研究相对较少。有学者围绕ECPT系统电磁环境安全性问题，将系统所处空间分为能量传输区域与安全区域，并通过控制相邻极板对的电压相位，有效减小了系统对外部的电场辐射。也有研究人员为抑制ECPT系统耦合机构周围漏电场，在平铺式耦合机构的上下侧添加两块大金属极板，以削弱漏电场强度。上述ECPT系统漏电场抑制方法虽能起到抑制漏电场的效果，却在一定程度上提高了系统的复杂度和控制难度，增加了系统成本。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明首先提出了一种层叠式耦合机构，通过对耦合机构的形状和接线方式进行改进，配合使用提出的系统参数设计方法，有效解决了ECPT系统耦合机构周围漏电场抑制问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种层叠式耦合机构，用于无线电能传输，其关键在于：电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板，所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙，内侧极板为高压极板，外侧极板为低压极板。

可选地，所述内侧极板为平面板，所述外侧极板的边缘单向设置有凸边，外侧极板通过所述凸边围成用于容置所述内侧极板的凹槽，且所述内侧极板的外表面与所述凸边的外端面在同一水平面上。

可选地，所述外侧极板槽体底板的厚度与所述内侧极板的厚度相同。

可选地，所述外侧极板与所述内侧极板的底面间距和侧面间距均相同。

可选地，耦合机构在电能发射端和电能接收端成对称式结构。

可选地，所述内侧极板和外侧极板的板面均为正方形。

本发明还基于上述层叠式耦合机构搭建一种ECPT系统；作为一种可选方案，在电能发射端和电能接收端的耦合机构上采用对称式双侧LC补偿网络。

通过对耦合机构极板电压的计算表达式进行推导，在对耦合机构外侧极板电压的主要影响因素进行分析的基础上，本发明还提出了上述ECPT系统的参数设计方法，主要包括以下步骤：

S1：根据实际应用需求，确定P_re、R_L、k及λ的大小，其中P_re为系统实际需求功率，R_L为负载电阻值，k为功率裕量系数，λ为系统要求的功率因数；

S2：按照确定能量发射端直流电源电压E_dc；

S3：根据实际需求确定耦合机构尺寸参数，利用仿真分析软件得到各个极板间的耦合电容值并计算出等效电容值；

S4：根据漏电场抑制要求，通过仿真得到电能接收端外侧极板电压峰值的最大值U_mp4max；

S5：根据仿真所得系统工作频率与电能接收端外侧极板电压峰值的关系以及功率因素随电感及频率的变化关系来确定初始频率f和最大频率f_max；

S6：在已知功率因数λ及频率f的情况下，计算出最小电感值L_S1min,L_S2min，并取其为电感初始值；

S7：根据等效电路及谐振条件计算出补偿电容C_f1,C_f2大小；

S8：计算电能接收端外侧极板电压大小，并判断其是否符合电压限制条件；

S9：符合电能接收端外侧极板电压限制条件，则得到各系统参数并结束设计流程，不符合则优先提高f，当f达到最大值，电能接收端外侧极板电压峰值U_mp4仍大于U_mp4max，则提高电感值，并重新回到步骤S7；

S10：给出确定的系统参数E_dc,L_S1,L_S2,C_f1,C_f2,f₀，其中L_S1,C_f1为能量发射端LC补偿网络的电感值和电容值，L_S2,C_f2为能量接收端LC补偿网络的电感值和电容值，f₀为最终的系统工作频率。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

基于本发明提出的层叠式耦合机构，配合系统参数设计方法，将其应用于ECPT系统中，不仅能够保证系统具有良好的传输性能，也能够有效抑制耦合机构周围漏电场大小。

附图说明

图1为本发明提出的层叠式耦合机构截面图；

图2为本发明提出的层叠式耦合机构的电路模型图；

图3为本发明提出的层叠式耦合机构的等效电路模型；

图4为采用层叠式耦合机构的双侧LC补偿网络的ECPT系统；

图5为图4的电路原理图；

图6为图5的等效电路图；

图7为不同模态下的电路拓扑图；

图8为不同参数对电能接收端外侧极板电压峰值的影响效果图；

图9为层叠式耦合机构的设计流程图；

图10为功率因数随电感及频率变化情况；

图11为系统参数设计流程图；

图12为本发明提出的层叠式耦合机构周围漏电场分布图；

图13为传统层叠式耦合机构截面图；

图14为不同情形下耦合机构外侧极板电压峰值随直流输入电压变化情况；

图15为传统层叠式耦合机构周围漏电场分布图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，一种层叠式耦合机构，用于无线电能传输，从图中可以看出，电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板，所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙，内侧极板为高压极板，外侧极板为低压极板。图1中，极板P₁、P₂构成系统电能发射端，极板P₃、P₄构成系统电能接收端。耦合机构电能发射端与电能接收端成对称式结构，其能量传输距离为d₁，内侧极板及外侧极板中间厚度为d₃，外侧极板边缘厚度为d₄。极板P₁-P₂和极板P₃-P₄间距为d₂。由于耦合机构各极板之间形成的等效电容大小主要与极板正对面积有关，受极板形状影响较小。因此，本实施例耦合机构均以正方形极板为例进行分析，并设极板P₂、P₃的边长为l₁，极板P₁、P₄的边长为l₃，凹槽边长为l₂，凸边端面宽度为l₄。图1所示新型层叠式耦合机构的改进之处在于外侧极板P₁，P₄成凹槽状结构，接电路的低压端；内侧极板P₂，P₃嵌于凹槽中，接电路的高压端，且内侧极板的外表面与外侧极板凸边的外端面在同一水平面上。这样做的好处是，在不影响系统传输距离的同时，有效增大了外侧极板构成的耦合电容大小，有利于能量的传输和漏电场的抑制。

由于新型层叠式耦合机构采用的是垂直结构，因而各极板之间会形成两两交叉耦合电容。其中，极板P₁-P₂和极板P₃-P₄分别构成电容C₁₂和C₃₄，它们分别位于系统的电能发射端和电能接收端，可使其成为谐振网络的一部分。极板P₂-P₃和P₁-P₄分别构成电容C₂₃和C₁₄，形成能量传输通道。极板P₁-P₃与P₂-P₄由于边缘效应构成了耦合电容C₁₃和C₂₄。由于P₁-P₃与P₂-P₄之间几乎没有正对面积，所以电容C₁₃与C₂₄会比较小，通常容值只有几pF。

图2给出了新型层叠式耦合机构的电路模型，定义四块耦合极板的电压分别为U_P1，U_P2，U_P3，U_P4，并以P₁极板的电压为参考地，即U_P1＝0，

表示电能发射端耦合极板P₁-P₂之间的电压，即

表示电能拾取端耦合极板P₃-P₄之间的电压，即

表示极板P₂-P₃之间的电压，即

表示极板P₁-P₄之间的电压，即

表示流入极板P₂的电流，表示流入耦合极板P₃的电流。据基尔霍夫定律可知，

与的关系为:

式中，ω＝2πf，f为系统工作频率。

可以定义C₁、C₂、C_M、C_M1和C_M2为：

由于新型层叠式耦合极板具有对称性，因而其等效电容具有如下关系：

结合式(5)，可将式(1～4)化简为式(7)

式中

根据式(7)，可将新型层叠式耦合机构的电路模型等效为图3所示电路形式。

经仿真和实验发现，层叠式耦合机构漏电场的分布主要受外侧极板电压值的影响，而极板电压值的计算又与系统电路拓扑直接相关。考虑到双侧LC补偿网络的ECPT系统具有拓扑结构简单、系统参数敏感性弱、易于实现大功率传输等特点，本实施例以对称式双侧LC补偿网络的ECPT系统为例，对层叠式耦合机构各极板电压值的计算公式进行推导，并对影响外侧极板电压值的主要因素进行分析。

如图4所示，采用新型层叠式耦合机构的双侧LC补偿网络的ECPT系统，将层叠式耦合机构表示为图3所示等效电路模型，可以得到图5所示ECPT系统等效电路。当系统处于谐振状态时，电容C_f1与等效电容C_e1并联，再与电感L_S1形成谐振；同理，此时，电容C_f2与等效电容C_e2并联，再与电感L_S2形成谐振，以此实现电能的高效传输。图中，电阻R_e为电能接收端整流桥、滤波电容及负载R_L的等效电阻，其大小为8R_L/π²；u_in为逆变输出电压，根据基波分析法，其有效值U_in与E_dc的关系为：

由于采用的是对称式双侧LC补偿网络，因此有L_S1＝L_S2,C_e1＝C_e2,C_f1＝C_f2。为便于公式的推导，重新定义C_P1＝C_e1+C_f1，C_P2＝C_e2+C_f2，由此得到图6所示等效电路。

Z₁,Z₂,Z₃,Z₄为该拓扑各级的阻抗:

式中，Z₂可进一步写为

当系统处于谐振状态时，有:

1-ω²C_P2L_S2＝0 (12)

令R_Q＝L_S2/C_P2R_e，C_Q＝C_M1C_M2C_P2/(C_M1C_M2+C_P2C_M1+C_P2C_M2)，则式(11)可化简为

于是，可以得到

当系统处于谐振状态时，有

1-ω²C_P1L_S1＝0 (16)

因此，

与

之间的关系可表示为

当图4中的逆变桥开关管S1-S4和S2-S3交替导通时，电路会有两种模态。如图7所示，电路处于模态1时，开关管S1-S4导通，S2-S3断开；处于模态2时，开关管S2-S3导通，S1-S4断开。图中，Z₁代表图6中电能拾取端的补偿电感L_S2、等效电容C_P2以及R_e三者的等效阻抗。

模态1下，由于C_p1的端电压

即为极板P₂电压值

所以各个极板电压可以表示为:

同理，可以得到在模态2下，各极板上的电压为

由式(18)和式(19)可知，极板P₁的电压值只与直流输入电压有关，而极板P₄的电压值却与系统中众多电路参数相关。考虑到耦合机构外侧极板电压值与系统漏电场分布息息相关，因此，有必要对影响极板P₄电压峰值U_mp4的主要因素进行分析。之所以分析极板电压峰值，是为了考虑耦合机构漏电场对周围环境影响最严重的情况。

通过式(9～19)，可得当系统直流输入电压一定且处于完全谐振状态时，各电路参数对极板P₄电压峰值U_mp4影响曲线图如图8所示。由图可知，各电路参数对U_mp4影响具有如下规律:(1)电阻R_e与电容C_M1几乎不会影响U_mp4的大小；(2)电感L_S1、电容C_M2及频率f的增大能有效减小U_mp4，且随着电感L_S1、电容C_M2及频率f的增大，U_mp4先是急剧下降，之后趋于平缓；(3)随着电容C_P1的增大，U_mp4逐渐增大，且二者近似成线性关系。

由图8(d)可知，电容C_M2的增大，可有效减小U_mp4，也就可以有效减小漏电场的大小。结合前文对新型层叠式耦合机构各等效电容的计算分析可知，电容C_M2的大小主要受极板P₁和P₄耦合电容大小的影响，耦合电容C₁₄越大，C_M2也就越大。正是基于这一规律，本发明将耦合机构外侧极板设计成凹槽状，使其在既不影响传输距离，又可提高系统传输性能的同时，对漏电场起到更好的抑制效果。

实际应用中，图1所示耦合机构设计流程图如图9所示，具体步骤为：(1)根据实际应用场合确定耦合机构外侧极板边长l₃的大小，并取其在限制条件下的最大值；(2)根据系统实际要求，确定系统传输距离d₁和极板厚度d₃的大小；(3)选用较好的绝缘材料，根据绝缘材料的厚度确定内侧极板与外侧极板的间距，即d₂大小；(4)以使电容C_M1、C_M2容值相等为原则，设计l₁和l₄的大小。

由上文分析可知，极板P₄的电压值既与耦合机构的结构有关，也与系统的电路参数相关。换而言之，漏电场的抑制与系统参数设计方法相关。在进行参数设计时，系统输出功率P_o和功率因数λ是衡量系统能量传输性能的重要指标。因此，本发明在综合考虑系统传输性能的基础上，给出了以抑制系统漏电场大小为目标的系统参数设计方法。

如图6所示，

和

分别为C_P1,C_P2,R_e的端电压，根据基尔霍夫定律可知，

和

三者的关系为：

系统的输出功率为：

式中，U_o为

的有效值。

由式(9)(10)(12)(16)(17)(20)(21)(22)可得：

由式(23)可知，对称式双侧LC补偿网络的ECPT系统在忽略系统开关损耗、电感和耦合机构内阻损耗的情况下，系统输出功率的理论值P_o只与负载电阻及直流输入电压有关。考虑到实际系统中，上述损耗不可避免，因此在系统设计时，为使系统实际输出功率达到应用要求，系统功率设计值应留有一定的裕量，即P_o＝kP_re,(k＞1)。其中，P_re为系统实际需求功率，k为功率裕量系数，其可根据系统效率需求估算得到，所以有：

由式(15)(16)可得

令A＝ω²L_S1C_Q，B＝ω²C_P1C_QR_Q，C＝ω(C_P1+C_Q)，则有

式中，λ为系统功率因数。

由式(27)可得系统处于谐振状态且负载一定时，功率因数随电感L_S1/L_S2及系统频率f的变化情况如图10所示。在λ一定的情况下，增大f可有效减小电感值的大小，但f过大，又会增大系统的开关损耗和电磁干扰，所以可根据图8(f)确定最大频率f_max。在f一定的情况下，可根据式(27)求得满足λ要求的最小电感值。

综合前文对极板P4电压峰值、系统输出功率及功率因数的分析，可给出以抑制漏电场为目标并兼顾系统传输性能的参数设计流程如图11所示。图中，U_mp4max为极板P4电压峰值的最大值，其可结合实际系统漏电场抑制要求并根据前文分析，由Ansoft Maxwell仿真得到。系统参数设计流程具体步骤为：

S1：根据实际应用需求，确定P_re、R_L、k及λ的大小；

S2：按照公式(24)确定能量发射端直流电源电压E_dc；

S3：根据图9所示耦合机构设计流程，确定耦合机构各尺寸参数，通过AnsoftMaxwell仿真得到图2中各极板耦合电容值，并根据式(5)得到参数C_M1,C_M2,C_e1,C_e2的大小；

S4：根据实际系统漏电场抑制要求，结合上文对漏电场的理论分析，仿真得到极板P4电压峰值的最大值U_mp4max；

S5：根据图8(f)和图10确定初始频率f和最大频率f_max；

S6：由图10可知，在已知功率因数λ及频率f的情况下，可由式(27)计算出最小电感值L_S1min,L_S2min，并取其为电感初始值；

S7：根据式(12)(16)，计算C_P1,C_P2大小，进而计算出补偿电容C_f1,C_f2大小；

S8：根据式(18)(19)，计算P₄极板电压大小，并判断其是否符合P₄极板电压限制条件；

S9：符合电能接收端外侧极板电压限制条件，则得到各系统参数并结束设计流程，不符合则优先提高f，当f达到最大值，电能接收端外侧极板电压峰值U_mp4仍大于U_mp4max，则提高电感值，并重新回到步骤S7；

S10：给出确定的系统参数E_dc,L_S1,L_S2,C_f1,C_f2,f₀。

为验证所提出的耦合机构及系统参数设计方法对漏电场抑制的可行性和有效性，根据图4电路拓扑，通过Matlab及Ansoft Maxwell仿真平台建立系统仿真模型，并分析耦合机构外侧极板电压及漏电场分布情况。

依照图9所示耦合机构设计方法，给出一组耦合机构尺寸参数如表1(a)所示。仿真系统中，系统实际输出功率要求不小于100W，效率不低于80％，则功率裕量k取1.25，负载电阻R_L为10Ω，系统功率因数要求大于0.95，漏电场抑制要求为耦合机构周边7.5cm范围外场强不能超过614V/m(国际标准)。根据前述设计方法得到耦合机构在该漏电场抑制要求下，U_mp4max约为176V。根据上述系统给定条件，运用图11所示系统参数设计方法，得到系统电路参数如表1(b)所示。

表1耦合机构尺寸及系统电路参数表

表2耦合机构极板耦合电容值

通过Ansoft Maxwell仿真得到耦合机构各极板耦合电容值如表2所示，其周围漏电场分布情况如图12所示，图中虚线框内阴影部分场强大于614V/m，超过国际安全标准。由图可知，耦合机构周围7.2cm距离以外，场强均小于614V/m，达到了系统漏电场抑制要求。通过Matlab仿真得到系统输出功率理论值P_o为122.5W，功率因数为0.975，满足系统传输性能要求。

为进行对比分析，在采用相同电路拓扑(如图4)和电路参数(如表1b)的情况下，采用图13所示的耦合机构，分析其外侧极板电压及漏电场分布情况。图13所示耦合机构尺寸参数l₁,l₃,d₁,d₂,d₃与表1(a)相同。为便于描述，将采用图1所示耦合机构的情况称为情形一，将采用图13所示耦合机构的情况称为情形二。

通过Matlab仿真得到两种情形下，耦合机构外侧极板(即P₁和P₄)电压峰值随输入直流电压E_dc变化情况如图14所示。由图14可知:

(1)情形一下，耦合机构外侧极板P1和P4电压峰值分别约为情形二下电压峰值的1/50和1/10；

(2)情形一下，耦合机构外侧极板P1和P4电压峰值随直流输入电压变化幅度分别约为情形二下变化幅度的1/50和1/10。通过Ansoft Maxwell仿真得到情形二下，耦合机构周围漏电场分布情况如图15所示。图中，虚线框内阴影部分为场强超标区域，由此可知，情形二下，距离耦合机构几何中心67.73cm以外，场强才达到安全限值。以上仿真结果表明，本发明所提出的耦合机构能够有效降低外侧极板电压值的大小，从而对漏电场具有更好的抑制效果。

通过仿真分析可知，两种情形下，系统输出功率理论值P_o均约为122.5W，功率因数分别为0.975和0.902。这表明本发明所提出的耦合机构及系统参数设计方法在能够有效抑制漏电场的同时，并不会降低系统的传输性能。

综上所述，针对ECPT系统耦合机构周围漏电场辐射问题，本发明提出了一种新型层叠式耦合机构。该耦合机构内侧极板为高压极板，外侧极板为低压极板，因此其能够有效抑制耦合机构周围漏电场大小。在对新型层叠式耦合机构进行建模分析的基础上，本实施例以对称式双侧LC补偿网络的ECPT系统为例，推导了耦合机构极板电压的计算表达式，并对耦合机构外侧极板电压的主要影响因素进行了分析，给出了以抑制系统漏电场场强为目标并兼顾系统传输性能的参数设计方法。通过仿真验证了本发明所提出的耦合机构及参数设计方法对漏电场抑制的可行性及有效性。

最后应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种层叠式耦合机构，用于无线电能传输，其特征在于：电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板，所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙，内侧极板为高压极板，外侧极板为低压极板；

所述内侧极板为平面板，所述外侧极板的边缘单向设置有凸边，外侧极板通过所述凸边围成用于容置所述内侧极板的凹槽，且所述内侧极板的外表面与所述凸边的外端面在同一水平面上；

所述外侧极板槽体底板的厚度与所述内侧极板的厚度相同；

所述外侧极板与所述内侧极板的底面间距和侧面间距均相同；

耦合机构在电能发射端和电能接收端成对称式结构；

所述内侧极板和外侧极板的板面均为正方形。

2.一种ECPT系统，其特征在于：采用权利要求1所述的层叠式耦合机构。

3.根据权利要求2所述的ECPT系统，其特征在于：在电能发射端和电能接收端的耦合机构上采用对称式双侧LC补偿网络。

4.如权利要求3所述ECPT系统的参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：根据实际应用需求，确定P_re、R_L、k及λ的大小，其中P_re为系统实际需求功率，R_L为负载电阻值，k为功率裕量系数，λ为系统要求的功率因数；

S2：按照

确定能量发射端直流电源电压E_dc；

S3：根据实际需求确定耦合机构尺寸参数，利用仿真分析软件得到各个级板间的耦合电容值并计算出等效电容值；

S4：根据漏电场抑制要求，通过仿真得到电能接收端外侧极板电压峰值的最大值U_mp4max；

S5：根据仿真所得系统工作频率与电能接收端外侧极板电压峰值的关系以及功率因素随电感及频率的变化关系来确定初始频率f和最大频率f_max；

S6：在已知功率因数λ及频率f的情况下，计算出最小电感值L_S1min,L_S2min，并取其为电感初始值；

S7：根据等效电路及谐振条件计算出补偿电容C_f1,C_f2大小；

S8：计算电能接收端外侧极板电压大小，并判断其是否符合电压限制条件；

S9：符合电能接收端外侧极板电压限制条件，则得到各系统参数并结束设计流程，不符合则优先提高f，当f达到最大值，电能接收端外侧极板电压峰值U_mp4仍大于U_mp4max，则提高电感值，并重新回到步骤S7；

S10：给出确定的系统参数E_dc,L_S1,L_S2,C_f1,C_f2,f₀，其中L_S1,C_f1为能量发射端LC补偿网络的电感值和电容值，L_S2,C_f2为能量接收端LC补偿网络的电感值和电容值，f₀为最终的系统工作频率。

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