CN109038841B - 一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统。其中，所述无线电能传输系统包括：直流电源、高频逆变器、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器和负载，其中：所述原边电路包括第一调节电感、能量发射线圈和第一补偿电容，所述副边电路包括第二补偿电容、能量接收线圈和第二调节电感；所述能量传输极板包括第一发射极板、第一接收极板、第二发射极板和第二接收极板，所述第一发射极板和所述第一接收极板耦合，所述第二发射极板和所述第二接收极板耦合。本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统，实现了无线电能传输系统的传输功率比的调节。

Description

一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及电学技术领域，具体涉及一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术使得电气设备摆脱了电线的束缚，避免电线在接触时产生磨损和打火等现象，增加了电气设备的安全性和可靠性，同时解决了在一些场合下无法使用电线进行电气连接的问题。无线电能传输技术在工业自动化生产、电动交通工具、植入式医疗器械、家用电器及消费类电子产品中具有广阔的应用前景。
无线电能传输技术可分为电场式和感应式两大类。感应式无线电能传输技术相对比较成熟，但存在传能线圈成本较高、占用的空间体积大、泄露的磁场在周围的金属物上产生涡流电流，引起传输功率和效率的降低等问题。随着系统成本的降低和性能的提高，电场式无线电能传输技术受到人们广泛关注，其独特的优势在于：耦合结构为一对极板，占用体积小且廉价，电场不会在周围金属物体上产生损耗，所以不需要屏蔽电场。现有技术的研究表明，若将电场式和感应式结合在一个无线电能传输系统中，会增强无线电能传输系统的抗偏移能力，但功率传输比固定，在某些应用场景下，由于空间的限制，无法获得满足设计要求的无线电能传输系统。
因此，如何提出一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统，能够实现功率比可调成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统。
本发明提出一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器和负载，其中：
所述原边电路包括第一调节电感、能量发射线圈和第一补偿电容，所述副边电路包括第二补偿电容、能量接收线圈和第二调节电感；所述能量传输极板包括第一发射极板、第一接收极板、第二发射极板和第二接收极板，所述第一发射极板和所述第一接收极板耦合，所述第二发射极板和所述第二接收极板耦合；
所述直流电源连接到所述高频逆变器的输入端，所述高频逆变器的一个输出端通过串联的所述第一调节电感和所述能量发射线圈，连接到所述第一发射极板，所述高频逆变器的另一个输出端与所述第二发射极板相连；
所述整流器的输出端连接到所述负载，所述整流器的一个输入端通过串联的所述第二调节电感和所述能量接收线圈，连接到所述第一接收极板，所述整流器的另一个输入端与所述第二接收极板相连；
所述第一补偿电容的一极与所述第一发射极板相连，所述第一补偿电容的另一极与所述第二发射极板相连；所述第二补偿电容的一极与所述第一接收极板相连，所述第二补偿电容的另一极与所述第二接收极板相连。
其中，所述能量发射线圈的电感和所述第一调节电感的电感之和等于所述能量接收线圈的电感和所述第二调节电感的电感之和，所述第一补偿电容的电容和所述第二补偿电容的电容相等。，所述第一补偿电容的电容和所述第二补偿电容的电容相等。
其中，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈采用电感器。
其中，所述第一发射极板、所述第一接收极板、所述第二发射极板和所述第二接收极板采用金属材料。
其中，所述第一发射极板和所述第一接收极板之间的电容等于所述第二发射极板和所述第二接收极板之间的电容。
其中，所述第一发射极板和所述第一接收极板之间、所述第二发射极板和所述第二接收极板之间采用超材料作为极板间介质。
本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器和负载，通过在原边电路设置第一调节电感、在副边电路设置第二调节电感，通过调节原边电路的第一调节电感和/或副边电路的第二调节电感，实现了无线电能传输系统的传输功率比的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的π形等效电路的示意图；
图3为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的解耦T形电路的示意图；
附图标记说明：
1-直流电源；2-高频逆变器；
3-第一调节电感；4-能量发射线圈；
5-第一补偿电容；6-第一发射极板；
7-第一接收极板；8-第二补偿电容；
9-能量接收线圈；10-第二调节电感；
11-整流器；12-负载；
13-第二接收极板；14-第二发射极板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统，包括直流电源1、高频逆变器2、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器11和负载12，其中：
所述原边电路包括第一调节电感3、能量发射线圈4和第一补偿电容5，第一调节电感3、能量发射线圈4和第一补偿电容5串联构成谐振电路，所述副边电路包括第二补偿电容8、能量接收线圈9和第二调节电感10，第二补偿电容8、能量接收线圈9和第二调节电感10串联构成谐振电路；所述能量传输极板包括第一发射极板6、第一接收极板7、第二发射极板14和第二接收极板13，第一发射极板6和第一接收极板7耦合，第二发射极板14和第二接收极板13耦合；其中，第一调节电感3和第二调节电感10采用可调电感器。
直流电源1连接到高频逆变器2的输入端，高频逆变器2的一个输出端通过串联的第一调节电感3和能量发射线圈4，连接到第一发射极板6，高频逆变器2的另一个输出端与第二发射极板14相连；
整流器11的输出端连接到负载12，整流器11的一个输入端通过串联的第二调节电感10和能量接收线圈9，连接到第一接收极板7，整流器11的另一个输入端与第二接收极13板相连；
第一补偿电容5的一极与第一发射极板6相连，第一补偿电容5的另一极与第二发射极板14相连；第二补偿电容8的一极与第一接收极板7相连，第二补偿电容8的另一极与第二接收极板13相连。
具体地，本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统正常工作时，来自直流电源1的直流电压经过高频逆变器2转变为高频交流电压。上述高频交流电压输入到所述原边电路，流过能量发射线圈4的高频交流电流在能量发射线圈4上激发产生高频交变磁场，能量接收线圈9感应出感生电动势，电能从能量发射线圈4通过磁场耦合传递至能量接收线圈9。同时，高频交流电压在第一发射极板6和第一接收极板7之间以及第二发射极板14和第二接收极板13之间激发高频交变电场，电能从第一发射极板6通过电场耦合传递至第一接收极板7且从第二发射极板14通过电场耦合传递至第二接收极板13。所述副边电路将接收到的交流电传输给整流器11，整流器11将交流电转变为直流电供负载12使用。利用所述原边电路、所述副边电路以及所述能量传输极板实现无线电能的传输。其中，通过改变第一调节电感3和/或第二调节电感10的电感可以改变所述无线电能传输系统的传输功率比，所述传输功率比即从能量发射线圈4通过磁场耦合传递至能量接收线圈9的感应式传输的功率与所述能量传输极板的电场式传输的功率的比值。
图2为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的π形等效电路的示意图，如图2所示，将图1所示的电路结构等效为一个π形电路，用有效值为V1的交流电压源代替图1中的直流电源1和高频逆变电路2，用阻值为Ra的交流负载代替整流器11和负载12，将第一调节电感3和能量发射线圈4合并成一个电感Lp,将第二调节电感10和能量接收线圈9合并成一个电感Ls，将所述能量传输极板等效为一个电容CE，第一补偿电容5和第二补偿电容8保持不变，等效关系如下：
Figure BDA0001773720650000061
Figure BDA0001773720650000062
其中，V1为所述交流电压源的电压，VE为直流电源1的电压，V2为所述交流负载的电压，VR为负载12的电压，Lf1为第一调节电感3的电感，L1为能量发射线圈4的电感，Lp为第一调节电感3和能量发射线圈4等效后的电感，L2为第二调节电感10的电感，Lf2为能量接收线圈9的电感，Ls为第二调节电感10和能量接收线圈9等效后的电感，CE为所述能量传输极板等效后的电容，Cint1为第一发射极板6和第一接收极板7之间的电容，Cint2为第二发射极板14和第二接收极板13之间的电容。图2中，C1表示第一补偿电容5的电容，C2表示第二补偿电容8的电容。
图3为本发明一实施例电场式和感应式结合的无线电能传输系统的解耦T形电路的示意图，如图3所示，将图2所示的耦合线圈部分进行解耦，用受控源表示两线圈间的相互影响关系，同时，将C1、C2和CE组成的π形电路等效为T形电路，等效后的电容可表示如下：
Figure BDA0001773720650000063
对图3所示的T形电路进行求解，列出网孔电流方程如下：
Figure BDA0001773720650000064
其中，Z11、Z12、Z21和Z22为阻抗矩阵的参数，I1和I2分别为图3所示电路中两个回路的电流。
Figure BDA0001773720650000071
其中，ω为频率，M为互感系数。
根据式(4)和(5)，可以获得电流I1和I2的表达式如下：
Figure BDA0001773720650000072
所述副边电路接收到的功率包括感应式传输的功率和电场式传输的功率两部分，其中，所述感应式传输的功率如下式所示：
Figure BDA0001773720650000073
所述电场式传输的功率如下式所示：
Figure BDA0001773720650000074
其中，VC2＝I2(jωL2+Ra)+jωMI1。
计算所述感应式传输的功率与所述电场式传输的功率的比值，即所述传输功率比r：
Figure BDA0001773720650000075
根据电路中的谐振关系，可以获得C1和Lp之间的关系，C2和Ls之间的关系如下：
Figure BDA0001773720650000076
可以将C1用Lp和Ls表示，并将C2用Lp和Ls表示，如下式所示：
Figure BDA0001773720650000081
根据式(9)和(11)，可以将r表示如下：
Figure BDA0001773720650000082
根据式(2)和(12)可知，当本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统的各个电路元件和所述频率ω确定时，L1、L2、M和CE的值固定，可以通过调节Lf1和/或Lf2调整传输功率比r。
本发明提供的电场式和感应式结合的无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器和负载，通过在原边电路设置第一调节电感、在副边电路设置第二调节电感，通过调节原边电路的第一调节电感和/或副边电路的第二调节电感，实现了无线电能传输系统的传输功率比的调节。
在上述各实施例的基础上，进一步地，能量发射线圈4的电感和第一调节电感3的电感之和等于能量接收线圈9的电感和第二调节电感10的电感之和，，第一补偿电容5的电容和第二补偿电容8的电容相等。
在上述各实施例的基础上，进一步地，能量发射线圈4和能量接收线圈9采用电感器，所述电感器为低内阻和高Q值的电感器。
在上述各实施例的基础上，进一步地，第一发射极板6、第一接收极板7、第二发射极板14和第二接收极板13采用金属材料，例如铁板。
在上述各实施例的基础上，进一步地，第一发射极板6和第一接收极板7之间的电容等于第二发射极板14和第二接收极板13之间的电容。
在上述各实施例的基础上，进一步地，第一发射极板6和第一接收极板7之间采用超材料作为极板间介质，第二发射极板14和第二接收极板13之间采用超材料作为极板间介质，采用所述超材料作为极板间介质，既可以调整电路特性，又可以使用在工作频率点上介电常数接近为零的超材料来进行电场屏蔽。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电场式和感应式结合的无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源、高频逆变器、原边电路、能量传输极板、副边电路、整流器和负载，其中：
所述原边电路是LC补偿结构，包括第一调节电感、能量发射线圈和第一补偿电容，所述副边电路是LC补偿结构，包括第二补偿电容、能量接收线圈和第二调节电感；所述能量传输极板包括第一发射极板、第一接收极板、第二发射极板和第二接收极板，所述第一发射极板和所述第一接收极板耦合，所述第二发射极板和所述第二接收极板耦合；
所述直流电源连接到所述高频逆变器的输入端，所述高频逆变器的一个输出端通过串联的所述第一调节电感和所述能量发射线圈，连接到所述第一发射极板，所述高频逆变器的另一个输出端与所述第二发射极板相连；
所述整流器的输出端连接到所述负载，所述整流器的一个输入端通过串联的所述第二调节电感和所述能量接收线圈，连接到所述第一接收极板，所述整流器的另一个输入端与所述第二接收极板相连；
所述第一补偿电容的一极与所述第一发射极板相连，所述第一补偿电容的另一极与所述第二发射极板相连；所述第二补偿电容的一极与所述第一接收极板相连，所述第二补偿电容的另一极与所述第二接收极板相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量发射线圈的电感和所述第一调节电感的电感之和等于所述能量接收线圈的电感和所述第二调节电感的电感之和，所述第一补偿电容的电容和所述第二补偿电容的电容相等。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈采用电感器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发射极板、所述第一接收极板、所述第二发射极板和所述第二接收极板采用金属材料。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发射极板和所述第一接收极板之间的电容等于所述第二发射极板和所述第二接收极板之间的电容。
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