CN113054752A - 一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，利用电压传递关系，得到输出电压恒定的条件及电压增益的确定方法，根据电压增益表达式并以耦合器的面积作为约束条件确定系统的补偿电容；根据输出电压恒定条件、补偿电容以及预设的工作频率计算补偿电感；若补偿电感中的任意一个大于预设的电感阈值，则修改工作频率、补偿电容中的至少一个，直至补偿电感均不大于电感阈值；对基于本方法设计的系统参数进行仿真实验，表明系统输出电压与负载阻抗无关；该设计方法解决了系统负载阻抗发生变化时输出电压不稳定的问题，使系统具有优异的输出电压恒定特性。

Description

一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法

技术领域

本申请涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术摆脱传统电缆的束缚，正逐渐成为一些设备和领域的电能供给方式。目前用于近场耦合的无线电能传输技术大多使用电磁耦合的方式，但随着研究的深入，电磁耦合式的无线电能传输存在本质上的不可避免的技术障碍，如耦合线圈要求有一定的同轴性使得其抗偏移特性较差，侵入耦合器之间的金属物体会产生涡流损耗并消耗能量，漏感的存在不仅降低能量传输效率而且会给周边的电磁安全带来一定的影响，这些问题迫使人们寻找一种性能更加优异的无线电能传输技术替代方案。电场耦合式无线电能传输已经被证实可以在中等距离条件下进行高效的大功率电能无线传输，其具有耦合器构造简单、灵活、成本低，对侵入耦合器的金属物体不敏感，电磁安全性能相对较好等特点，正在引起越来越多的关注。

恒定输出特性是保证供电质量的一个非常重要的方面，用电设备通常要求相对稳定的输入，以获得额定的工作状态。目前常用的双侧LC补偿的电场耦合无线电能传输的恒压输出方法，主要是通过设置工作频率与发射端或接收端的LC补偿网络的固有谐振频率满足特定的关系来实现，其主要缺点是补偿网络中的各元器件及耦合电容之间的谐振关系不明确，不利于指导电路参数设计，且恒压输出的条件设定的工作频率，在一定情况下与LC补偿网络的固有谐振频率非常接近，不利于工程实现。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，使电场耦合无线电能传输系统具有输出电压与负载无关(在一定范围内)的恒压输出特性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电场耦合无线电能传输系统包括依次相连的直流电源、高频逆变电路、由补偿电感L1和补偿电容C1构成的发射端LC补偿网络、由两对金属极板构成的耦合器、由补偿电感L2和补偿电容C2构成的接收端LC补偿网络和整流滤波电路；该方法包括以下步骤：

S1：获取设定的直流电源输入电压U_in及系统输出电压U_out，并根据

计算电压增益G；

S2：获取初始选定的补偿电容C₁和C₂，根据

计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e；

S3：根据所述耦合电容C_o、C_e分别计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定补偿电容C₁、C₂；

S4：获取初始选定的工作频率f，根据步骤S3确定的补偿电容C₁、C₂以及所述工作频率f分别计算补偿电感L₁,L₂；

S5：若补偿电感L₁,L₂中的任意一个大于预设的电感阈值，则返回步骤S3，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个，和/或返回步骤S4，按照预置的步长修改工作频率f，直至补偿电感L₁,L₂均不大于所述电感阈值；

S6：输出满足条件的工作频率f、补偿电容C₁和C₂，以及补偿电感L₁,L₂。

优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，步骤S3中具体包括：

S31：根据所述耦合电容C_o、C_e及公式

分别计算每个平行板电容器的面积S；其中，C＝C_o或C_e，ε₀表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示预先设定的无线电能传输距离，即耦合极板的距离；

S32：若任意一个平行板电容器的面积S大于预设的面积阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个，直至两个平行板电容器的面积均不大于所述面积阈值。

优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，步骤S2中，按照第一约束条件计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e，所述第一约束条件为：C_o＝kC_e，其中，k＝0.1-10。

优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个时，根据第二约束条件限定补偿电容C₁的大小，所述第二约束条件为：补偿电容C₁的取值不大于50C_o或50C_e。

优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电感阈值不超过50uH。

优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，两个平行板电容器的面积相等。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，利用电压传递关系，得到输出电压恒定的条件及电压增益的确定方法，并通过输出电压恒定的条件明确指出了补偿网络及耦合电容之间的谐振关系，在此基础上给出系统主要电路参数设计的方法。对基于本方法设计的系统参数进行仿真实验，验证系统在不同负载条件下的输出电压恒定特性，结果表明系统输出电压与负载阻抗无关，具有优异的输出电压恒定特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的电路结构示意图；

图2为本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的流程示意图；

图3为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的简化电路示意图；

其中，图3(a)是将逆变器输出等效为Uin,整流器及负载等效为Req得到的简化电路图；图3(b)是将图3(a)分成两部分并将右半部分看成一个阻抗Z₂得到的电路图；图3(c)是将图3(a)中的左半部分看成输入电压源U_{1_out}得到的电路图；图3(d)是将图3(c)中阻抗L₂变换位置得到的等效电路图；

图4为本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的仿真数据；其中，(a)～(g)分别表示不同负载条件的输出电压波形；(h)表示负载为5～100Ω时的输出电压曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

图1为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的电路结构示意图，如图1所示，该系统包括直流电源、高频逆变器、发射端LC补偿网络、耦合器、接收端LC补偿网络、整流器和负载。其中，发射端LC补偿网络包括补偿电感L1和补偿电容C1，接收端LC补偿网络包括补偿电感L2和补偿电容C2，耦合器由两对金属极板构成；补偿电感L1的一端连接高频逆变电路的第一输出端，该补偿电感L1的另一端连接第一个平行板电容器的发射极板以及补偿电容C1的一端，该补偿电容C1的另一端连接所述高频逆变电路的第二输出端以及第二个平行板电容器的发射极板；补偿电感L2的一端连接第一个平行板电容器的接收极板以及补偿电容C2的一端，该补偿电感L2的另一端连接整流器的第一输入端，补偿电容C2的另一端连接第二个平行板电容器的接收极板以及整流滤波器的第二输入端，每个平行板电容器发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输。

高频逆变器通过PWM信号控制，将直流电源转换成高频的交流电源，并为系统的补偿网络设定频率工作点；发射端LC补偿网络和接收端LC补偿网络在设定的频率工作点下产生谐振，以增强能量传输的能力；耦合器是由两对金属极板构成的两个平行板电容器，使系统形成无线能量传输的闭合回路，两个平行板电容器在电路中是串联的关系；整流器将接收到的高频交流电能转换成直流供负载使用。为了便于计算，负载假定为纯阻性负载，为减小负载获得直流电压的脉动，通常在负载两端并联一个滤波电容C_out。

图2示出了本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法，其参数设计的流程主要包括以下步骤：

步骤1：按照设计需求确定直流电源输入电压U_in和系统输出电压U_out，根据式(1)算出系统的电压增益G；

步骤2：选定补偿电容C₁和C₂，根据式(2)以及预置的第一约束条件计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e；

第一约束条件为：为了得到相对较大的等效耦合电容，C_o、C_e通常设置为等大，即C_o＝C_e，也可以根据需要设计成特定比例k，即C_o＝kC_e；

步骤3：确定每个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e后，根据耦合电容C_o、C_e分别计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定补偿电容C₁、C₂；

作为一个可选的实施例，上述以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定补偿电容C₁、C₂具体包括：

(1)根据所述耦合电容C_o、C_e，及公式(3)分别计算每个平行板电容器的面积S；

其中，C＝C_o或C_e，ε₀表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，S、d分别是平行板电容器中发射极板与接收极板的正对面积和传输距离。传输距离d(即发射极板与接收极板之间的距离)为根据系统应用场景选取的设定值。

(2)判断两个平行板电容器的面积是否均小于预设的面积阈值S_max，若是，进入下一步；

若否，则返回步骤2，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个；直至根据修改后的补偿电容C₁、C₂计算的两个平行板电容器的面积S均不大于所述面积阈值；

需要说明的是，平行板电容器面积的最大限值S_max是指受应用场景约束所能达到的一个耦合器面积的最大值，比如应用于手机的无线供电，耦合器面积的最大值应不能超过手机本身的大小。

通常两对耦合极板设计成等大的金属板，以得到相对较大的等效耦合电容，当然也可以根据实际需求设计成大小不同的两对金属板。

步骤4：在步骤3确定的补偿电容C₁、C₂及耦合电容C_o、C_e的基础上，根据初始选定的工作频率f以及式(4)计算出补偿电感L₁,L₂；

一般来说，目前电场耦合无线电能传输系统的工作频率f通常在100kHz至数MHz范围。

步骤5：判断补偿电感L₁,L₂是否均小于预设的电感阈值L_max，若是，则进入下一步；

若否，则返回步骤2，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个，和/或返回步骤4，按照预置的步长修改工作频率f，直至补偿电感L₁,L₂均不大于所述电感阈值。

需要说明的是，为了避免高工作频率条件下产生的磁滞损耗，补偿电感L₁,L₂通常设计成空心线圈，但这势必造成线圈体积和绕线长度都增大，而一般的应用场合对线圈体积都是有要求的，绕线长度与线圈的寄生电阻也是正相关的，会直接带来能量损耗，因此需要确定L₁,L₂的最大限值L_max，L_max一般不宜超过50uH。

在步骤3、5中，根据预置的步长修改补偿电容C₁、C₂时，按照第二约束条件限定补偿电容C₁的大小，该第二约束条件为：补偿电容C₁的取值不大于50C_o或50C_e。发射端LC补偿网络中的补偿电容C1与两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e不宜相差太大，否则会因为分流作用，降低系统能量传输的能力，通常C1应小于50倍的C_s。

步骤6：输出满足条件的工作频率f、补偿电容C₁和C₂，以及耦合电容C_o、C_e和补偿电感L₁,L₂；根据输入逆变器和整流器的电压电流等级选择MOSFET和整流二极管，至此完成系统的主要参数设计。

下面结合附图对本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的设计原理进行详细说明。

将图1中的电路原理图进行简化，即把逆变器输出看成一个高频电压源，整流器和负载等效为一个负载电阻R_eq,得到图3(a)所示的简化电路图，其中，C_o、C_e分别是两块耦合极板形成的耦合电容。然后，将图3(a)按虚线分成两部分，得到图3(b)和图3(c)，图3(b)是将图3(a)中的右半部分视为一个阻抗Z₂，而图3(c)是将图3(a)中的左半部分视为一个电压源U_{1_out}；图3(d)将图3(c)中L₂变换位置得到的等效电路图。

从图3(b)可计算出U_{1_out}：

其中，Φ₁＝1-ω²L₁(C₁+C_O)，ω是系统工作角频率，ω＝2πf；j是虚数单位；

从图3(c)可计算出U_out：

其中，Φ₂＝1-ω²L₂(C₂+C_e)；

当Φ₁、Φ₂满足式(7)时，

综合式(5)(6)(7)，可计算出负载R_L的电压相对输入直流电压的增益G:

需要说明的是：由于当整流器带电容滤波的负载时，如果时间常数R_LC_out>>T＝1/f时，在忽略整流二极管压降的情况下，负载R_L的电压可近似为U_out。

由式(8)可知，电压增益与负载等效阻抗R_L无关，于是可以得出结论：系统恒压输出的条件就是满足式(7)中的关系。由式(7)可以清楚地看出谐振关系：即发射端补偿电感L₁与补偿电容C₁、耦合电容C_o并联后的总电容进行谐振；接收侧补偿电感L₂与补偿电容C₂、耦合电容C_e并联后的总电容进行谐振。图3(d)是在(c)的基础上变换了电感L₂的位置得到的等效电路，其与图3(b)是对称的。图3(b)、(c)、(d)中虚线方框是用来标注各谐振腔的。

根据式(8)可以得出输出功率的计算公式(9)：

再根据式(10)(11)就可以确定各谐振元器件及耦合器大小参数。

本发明在理论分析的基础上，推导出系统恒压输出的条件，进而根据该恒压输出条件设计恒压型的双侧LC补偿的电场耦合式无线电能传输系统的参数设计方法；并根据该方法设计了一套完整的系统参数，详见表1；根据表1中的参数搭建仿真和实验平台，以验证该方法的正确有效性。

表1基于本实施例提供的参数设计方法生成的系统参数

图4(a)～(g)是负载分别为5Ω、10Ω、20Ω、30Ω、40Ω、50Ω、100Ω时系统的输出电压波形及数据,(h)是负载为5～100Ω时的输出电压曲线。从图4可以看出，在不同负载的情况下得到的输出电压均稳定在120v左右，在负载电阻较小的情况下，系统各部分的电流较大，因而在元器件寄生电阻上损耗的电压也会增大，输出电压会略小。反之，负载电阻越大，输出电压也会略大于120v。

本发明在理论分析和仿真验证的基础上，按表1中的系统参数搭建了实验平台，进一步验证系统在不同负载条件下的输出电压恒定特性。实验测试结果表明，输出电压恒定特性和仿真结果基本一致，，且整个系统的DC-DC效率可达96％以上。

本发明提出的一种恒压输出的双侧LC补偿的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法，是在理论分析双边LC补偿的电场耦合式无线电能传输的恒压输出条件的基础上提出的。从恒压输出条件，可以清晰地看出补偿网络之间的谐振关系。经过仿真和实验验证，其在不同负载条件下得到的输出电压有较好的恒定特性，说明本发明所述方法是切实可行的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电场耦合无线电能传输系统包括依次相连的直流电源、高频逆变电路、由补偿电感L1和补偿电容C1构成的发射端LC补偿网络、由两对金属极板构成的耦合器、由补偿电感L2和补偿电容C2构成的接收端LC补偿网络和整流滤波电路；其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：获取设定的直流电源输入电压U_in及系统输出电压U_out，并根据

计算电压增益G；

S2：获取初始选定的补偿电容C₁和C₂，根据

计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e；

S3：根据所述耦合电容C_o、C_e分别计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定补偿电容C₁、C₂；

S4：获取初始选定的工作频率f，根据步骤S3确定的补偿电容C₁、C₂以及所述工作频率f分别计算补偿电感L₁,L₂；

S5：若补偿电感L₁,L₂中的任意一个大于预设的电感阈值，则返回步骤S3，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个，和/或返回步骤S4，按照预置的步长修改工作频率f，直至补偿电感L₁,L₂均不大于所述电感阈值；

S6：输出满足条件的工作频率f、补偿电容C₁和C₂，以及补偿电感L₁,L₂。

2.如权利要求1所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，步骤S3中具体包括：

S31：根据所述耦合电容C_o、C_e及公式

分别计算每个平行板电容器的面积S；其中，C＝C_o或C_e，ε₀表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示预先设定的无线电能传输距离，即耦合极板的距离；

S32：若任意一个平行板电容器的面积S大于预设的面积阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个，直至两个平行板电容器的面积均不大于所述面积阈值。

3.如权利要求1所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，步骤S2中，按照第一约束条件计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e，所述第一约束条件为：C_o＝kC_e，其中，k＝0.1-10。

4.如权利要求1或2所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，所述按照预置的步长修改补偿电容C₁、C₂中的至少一个时，根据第二约束条件限定补偿电容C₁的大小，所述第二约束条件为：补偿电容C₁的取值不大于50C_o或50C_e。

5.如权利要求1-4任一项所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，所述电感阈值不超过50uH。

6.如权利要求1-4任一项所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，两个平行板电容器的面积相等。

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