CN113328531B - 一种无线电能传输方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线电能传输方法及其系统，属于无线能量传输领域；高频全桥逆变电路，不需要在电容极板两端并联外接电容，从而形成了强耦合的电容耦合器结构，可以获得恒定电流输出。通过基于L型电路构造的补偿电路，将电容耦合器发射极板电压和接收极板电压之间的相位差设计为90°，无功功率将不会从电容耦合器的发射极板传递到接收极板。因此，电容耦合器发射极板和接收极板上的电压应力可以被最小化。与传统LCLC‑LCLC补偿的电场耦合式无线电能传输系统相比，本发明的电容耦合器不需要在发射极板和接收极板两端并联外接电容来降低补偿电路中的谐振电感大小，形成强耦合系统，且耦合器发射极板和接收极板所承受的电压应力最小。

Description

一种无线电能传输方法及其系统

技术领域

本公开属于无线能量传输领域，具体涉及一种无线电能传输方法及其系统。

背景技术

无线电能传输方式逐渐成为替代传统电缆充电的方法，它具有了安全性，耐用性和灵活性的特点，补偿电路的设计对于改善电场耦合式无线电能传输系统(CapacitiveWireless PowerTransfer,CPT)的性能至关重要。电场耦合式无线电能传输系统中的耦合器结构可以分为水平电容耦合器和垂直电容耦合器两种。传统LCLC-LCLC补偿的电场耦合式无线电能传输系统采用的是水平电容耦合器结构，然而水平电容耦合器结构中的自电容通常只有几十皮法，为了减小补偿电感，必须在电容耦合器的两端并联两个外接电容，这会增加系统的复杂程度并导致电容耦合器呈现松耦合的结构。为了减少谐振补偿电路元件的个数，有学者提出了具有垂直电容耦合器结构的LCL-LCL补偿拓扑的电容耦合式无线电能传输系统，通过让两块发射极板和两块接收极板距离分别靠近来增加电容耦合器的自电容，使得该结构不需要并联外部电容，然而，由于两块发射极板之间的距离和两块接收极板之间距离很近，两极板间的电场会很大，空气可能由于高电场的作用而容易击穿。在上述两种电场耦合式无线电能传输系统中，由于水平电容耦合器结构中外部电容器的存在或者垂直电容耦合器结构中自电容很大，它们的耦合系数很小，此外，由于补偿电感与整个电容耦合器谐振，会使得二次侧的阻抗不是纯阻性。因此，无功功率会从一次侧转移到二次侧，这将导致极板上存在更高的电压应力。因此，设计一种具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种无线电能传输方法及其系统，解决了现有无线电能传输系统中极板上存在更高的电压应力的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

所述一种无线电能传输方法及其系统包括：高频全桥逆变电路、包含电感L_f1电容C_f1和电感L₁的原边LCL补偿电路、包含两块发射极板P₁、P₂和两块接收极板P₃、P₄的电容耦合器、包含电感L₂电容C_f2和电感L_f2的副边LCL补偿电路、负载电阻R_L，原边LCL补偿电路的左侧与高频全桥逆变电路相连，原边LCL补偿电路的右侧与电容耦合器的两块发射极板相连接，副边LCL补偿电路的左侧与电容耦合器的两块接收极板相连接，副边LCL补偿电路的右侧与负载电阻R_L相连接。高频全桥逆变电路的输入电压为V_dc,高频全桥逆变电路输出电压为V₁。电容耦合器的等效激励电流源模型包含发送极板侧的自电容C₁，接收极板侧的自电容C₂，发射极板侧的激励电流源I_M1，接收极板侧的激励电流源I_M2，其中，I_M1＝-jω₀C_MV_C2,I_M2＝-jω₀C_MV_C1,ω₀为系统的谐振角频率，C_M为电容耦合器的互电容，V_C1和V_C2分别为电容耦合器的发射极板侧的电压与接收极板侧的电压。

所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的基本原则为:在电场耦合式无线电能传输系统中，从电容耦合器的发射极板侧传递到接收极板侧的视在功率S为：

S＝P+jQ＝V_C1·(-jω₀C_MV_C2)^* (1)

因此，当电容耦合器的发射极板侧的电压V_C1与电容耦合器接收极板侧的电压V_C2之间的相位差是90°时，从电容耦合器的发射极板侧到接收极板侧传输的有功功率P最大，无功功率Q为0，且电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧的阻抗Z_sec为：

其中，Z_CM为电容耦合器互电容的阻抗，可以看出，当电容耦合器接收极板侧的阻抗Z_sec为纯阻性时，V_C1与V_C2之间的相位差为90°，因此，可以通过设计电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧阻抗为纯阻性，来降低电容耦合器的电压应力。由于LC串并联谐振网络具有将恒压源转换为恒流源的特性，LC并串联谐振网络具有将恒流源转换为恒压源的性质，因此可以采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。

所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的原理图包含6个模块，模块1为阻抗分别为jZ₁和(-jZ₁)的LC串并联谐振网络，模块2为jZ₂和(-jZ₂)的LC并串联谐振网络，模块3为阻抗分别为jZ₃和(-jZ₃)的LC串并联谐振网络，模块4为阻抗为(-jZ₄)的电容，模块5为阻抗分别为jZ₅和(-jZ₅)的LC串并联谐振网络，模块6为阻抗为jZ₆的电感，其中，Z₁,Z₂,Z₃,Z₄,Z₅,和Z₆表示谐振分量电抗，并且均为正。电压V₁经过模块1得到恒流输出I_a，然后经过模块2得到恒压输出V_a，再经过模块3得到恒流输出I_M1，然后由电容耦合器的激励电流源模型可得到恒压输出V_C2,再经过模块5得到恒流输出I_RL，其中，模块4为电容耦合器在接收极板侧的等效自电容，模块6的作用是为了实现电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性，jZ₁等效于电感L_f1的阻抗。(-jZ₁)和jZ₂的并联电路等效于电容C_f1的阻抗。(-jZ₂)和jZ₃的串联电路等效于电感L₁的阻抗。(-jZ₃)和(-jZ₄)分别等效于电容耦合器发射极板和接收极板侧的自电容C₁和C₂的阻抗。jZ₅,(-jZ₅),和jZ₆分别等效于电感L₂，电容C_f2和电感L_f2的阻抗。此时，补偿网络是LCL-LCL结构。

电容耦合器接收极板侧的阻抗Z_sec可以表示为：

当满足时，电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性。

Z₆＝Z₅(Z₄-Z₅)/Z₄ (4)

将电容耦合器接收极板侧的阻抗折算到电容耦合器发射极板侧的反射阻抗Z_r可以表示为：

Z_r＝V_C1/I_M1＝1/[(ω₀C_M)²Z_sec] (5)

此时，输入阻抗Z_in可以表示为：

为了实现零输入相角，输入阻抗Z_in应为纯阻性，需满足：

Z₁＝Z₂(Z₃-Z₂)/Z₃ (7)

为了让极板电压应力最小，电容耦合器发射极板侧的电压和接收极板侧的电压应该相等，需满足：

V₁/V₂＝Z₁Z₃/(Z₂Z₅) (8)

其中，V₂为负载电阻的输出电压。系统输出功率P_L可以表示为：

P_L＝Z_CMZ₂V₁V₂/Z₁Z₃Z₅ (9)

当电容耦合器的尺寸、系统输入电压、输出电压和输出功率确定后，Z_CM、Z₃、Z₄、V₁、V₂和P_L是已知的，可以由式(4)，(7)，(8)和(9)得出Z₁～Z₆的值，从而补偿网络中元件的参数可以表示为：

通过上述参数设计，实现了恒流输出，由于电容耦合器的发射极板和接收极板两端没有并联电容，因此电容耦合器为强耦合结构，且电容耦合器传递的无功功率为0，实现了耦合器发射极板和接收极板所受的电压应力最小的技术效果。

本公开的有益效果：

1)本发明的电容耦合器不需要在发射极板和接收极板两端并联外接电容来降低补偿电路中的谐振电感大小，且耦合器发射极板和接收极板所受的电压应力最小；

2)提供具有恒流输出特性，实现具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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简单地介绍，显而易见地，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为具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统的拓扑结构；

图2为具有低电压应力的电场耦合式无线电能传输系统的激励电压源模型；

图3为具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统的补偿网络设计原理图；

图4为具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统的负载输出电流随负载电阻变化的关系；

图5为具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统中电容耦合器发射极板和接收极板两端的电压波形。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，所述一种无线电能传输方法及其系统包括：高频全桥逆变电路、包含电感L_f1电容C_f1和电感L₁的原边LCL补偿电路、包含两块发射极板P₁、P₂和两块接收极板P₃、P₄的电容耦合器、包含电感L₂电容C_f2和电感L_f2的副边LCL补偿电路、负载电阻R_L，原边LCL补偿电路的左侧与高频全桥逆变电路相连，原边LCL补偿电路的右侧与电容耦合器的两块发射极板相连接，副边LCL补偿电路的左侧与电容耦合器的两块接收极板相连接，副边LCL补偿电路的右侧与负载电阻R_L相连接。高频全桥逆变电路的输入电压为V_dc,高频全桥逆变电路输出电压为V₁。如图2所示，所述一种无线电能传输方法及其系统中电容耦合器的等效激励电流源模型包含发送极板侧的自电容C₁，接收极板侧的自电容C₂，发射极板侧的激励电流源I_M1，接收极板侧的激励电流源I_M2，其中，I_M1＝-jω₀C_MV_C2,I_M2＝-jω₀C_MV_C1,ω₀为系统的谐振角频率，C_M为电容耦合器的互电容，V_C1和V_C2分别为电容耦合器的发射极板侧的电压与接收极板侧的电压。

所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的基本原则为:在电场耦合式无线电能传输系统中，从电容耦合器的发射极板侧传递到接收极板侧的视在功率S为：

S＝P+jQ＝V_C1·(-jω₀C_MV_C2)^* (1)

因此，当电容耦合器的发射极板侧的电压V_C1与电容耦合器接收极板侧的电压V_C2之间的相位差是90°时，从电容耦合器的发射极板侧到接收极板侧传输的有功功率P最大，无功功率Q为0，且电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧的阻抗Z_sec为：

其中，Z_CM为电容耦合器互电容的阻抗，可以看出，当电容耦合器接收极板侧的阻抗Z_sec为纯阻性时，V_C1与V_C2之间的相位差为90°，因此，可以通过设计电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧阻抗为纯阻性，来降低电容耦合器的电压应力。由于LC串并联谐振网络具有将恒压源转换为恒流源的特性，LC并串联谐振网络具有将恒流源转换为恒压源的性质，因此可以采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。

所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的原理图包含6个模块，模块1为阻抗分别为jZ₁和(-jZ₁)的LC串并联谐振网络，模块2为jZ₂和(-jZ₂)的LC并串联谐振网络，模块3为阻抗分别为jZ₃和(-jZ₃)的LC串并联谐振网络，模块4为阻抗为(-jZ₄)的电容，模块5为阻抗分别为jZ₅和(-jZ₅)的LC串并联谐振网络，模块6为阻抗为jZ₆的电感，其中，Z₁,Z₂,Z₃,Z₄,Z₅,和Z₆表示谐振分量电抗，并且均为正。电压V₁经过模块1得到恒流输出I_a，然后经过模块2得到恒压输出V_a，再经过模块3得到恒流输出I_M1，然后由电容耦合器的激励电流源模型可得到恒压输出V_C2，再经过模块5得到恒流输出I_RL，其中，模块4为电容耦合器在接收极板侧的等效自电容，模块6的作用是实现电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性，jZ₁等效于电感L_f1的阻抗。(-jZ₁)和jZ₂的并联电路等效于电容C_f1的阻抗。(-jZ₂)和jZ₃的串联电路等效于电感L₁的阻抗。(-jZ₃)和(-jZ₄)分别等效于电容耦合器发射极板和接收极板侧的自电容C₁和C₂的阻抗。jZ₅,(-jZ₅),和jZ₆分别等效于电感L₂，电容C_f2和电感L_f2的阻抗。此时，补偿网络是LCL-LCL结构。

电容耦合器接收极板侧的阻抗Z_sec可以表示为：

当满足时，电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性。

Z₆＝Z₅(Z₄-Z₅)/Z₄ (4)

将电容耦合器接收极板侧的阻抗折算到电容耦合器发射极板侧的反射阻抗Z_r可以表示为：

Z_r＝V_C1/I_M1＝1/[(ω₀C_M)²Z_sec] (5)

此时，输入阻抗Z_in可以表示为：

为了实现零输入相角，输入阻抗Z_in应为纯阻性，需满足：

Z₁＝Z₂(Z₃-Z₂)/Z₃ (7)

为了让极板电压应力最小，电容耦合器发射极板侧的电压和接收极板侧的电压应该相等，需满足：

V₁/V₂＝Z₁Z₃/(Z₂Z₅) (8)

其中，V₂为负载电阻的输出电压。系统输出功率P_L可以表示为：

P_L＝Z_CMZ₂V₁V₂/Z₁Z₃Z₅ (9)

当电容耦合器的尺寸、系统输入电压、输出电压和输出功率确定后，Z_CM、Z₃、Z₄、V₁、V₂和P_L是已知的，可以由式(4)，(7)，(8)和(9)得出Z₁～Z₆的值，从而补偿网络中元件的参数可以表示为：

通过上述参数设计，实现了恒流输出，由于电容耦合器的发射极板和接收极板两端没有并联电容，因此电容耦合器为强耦合结构，且电容耦合器传递的无功功率为0，实现了耦合器发射极板和接收极板所受的电压应力最小的技术效果。

实施例：仿真和实验结果分析。

电容耦合器的互容C_M＝39.4pF,电容耦合器的发射极板和接收极板侧的等效自电容C₁＝C₂＝43.2pF,逆变器输入和输出电压的有效值V₁＝V₂＝45V，开关频率为1.5MHz,系统功率P_L为80W，可以得到LCL-LCL补偿电路的参数为：L_f1＝24.75μH,C_f1＝407.6pF,L₁＝27.69μH,L_f2＝24.75μH,C_f2＝407.6pF,L₂＝27.69μH。图4为负载电阻从5.85Ω变化到25.31Ω时，负载电流I_RL近似为1.78A，说明实现了恒流输出。图5为电容耦合器发射极板和接收极板两端的电压波形，可以看到电容耦合器发射极板侧的电压与电容耦合器接收极板侧的电压之间的相位差为90°，实现了最小电压应力。

从以上实施例可看出，采用本发明提出的一种无线电能传输方法及其系统能够实现恒流输出，以及电容耦合器发射极板侧和接收极板侧的电压应力最小。

工作原理：

利用V_C1与V_C2之间的相位差为90°，来降低电容耦合器的电压应力。由于LC串并联谐振网络具有将恒压源转换为恒流源的特性，LC并串联谐振网络具有将恒流源转换为恒压源的性质，采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种无线电能传输系统，包括电容耦合器发射极板和接收极板，其特征在于，所述发射极板电压和接收极板电压之间的相位差设计为90°；

所述电容耦合器为无需外置并联电容的强耦合容性能量传输结构；

所述电容耦合器的发射极板和接收极板两端没有并联电容；

所述系统包含高频全桥逆变电路、电感Lf1电容Cf1和电感L1的原边LCL补偿电路、包含两块发射极板P1、P2和两块接收极板P3、P4的电容耦合器、包含电感L2电容Cf2和电感Lf2的副边LCL补偿电路、负载电阻RL，原边LCL补偿电路的左侧与高频全桥逆变电路相连，原边LCL补偿电路的右侧与电容耦合器的两块发射极板相连接，副边LCL补偿电路的左侧与电容耦合器的两块接收极板相连接，副边LCL补偿电路的右侧与负载电阻RL相连接；高频全桥逆变电路的输入电压为Vdc,高频全桥逆变电路输出电压的基波分量为V1；电容耦合器的等效激励电流源模型包含发送极板侧的自电容C1，接收极板侧的自电容C2，发射极板侧的激励电流源IM1，接收极板侧的激励电流源IM2，其中，IM1＝-jω0CMVC2,IM2＝-jω0CMVC1,ω0为系统的谐振角频率，CM为电容耦合器的互电容；

所述系统包括以下六个模块：模块1为阻抗分别为jZ1和(-jZ1)的LC串并联谐振网络，模块2为jZ2和(-jZ2)的LC并串联谐振网络，模块3为阻抗分别为jZ3和(-jZ3)的LC串并联谐振网络，模块4为阻抗为(-jZ4)的电容，模块5为阻抗分别为jZ5和(-jZ5)的LC串并联谐振网络，模块6为阻抗为jZ6的电感；

所述电压V1经过模块1得到恒流输出Ia，然后经过模块2得到恒压输出Va，再经过模块3得到恒流输出IM1，然后由电容耦合器的激励电流源模型可得到恒压输出VC2,再经过模块5得到恒流输出IRL，模块4为电容耦合器在接收极板侧的等效自电容，模块6的作用是为了实现电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性，jZ1等效于电感Lf1的阻抗，(-jZ1)和jZ2的并联电路等效于电容Cf1的阻抗，(-jZ2)和jZ3的串联电路等效于电感L1的阻抗，(-jZ3)和(-jZ4)分别等效于电容耦合器发射极板和接收极板侧的自电容C1和C2的阻抗，jZ5,(-jZ5),和jZ6分别等效于电感L2，电容Cf2和电感Lf2的阻抗；此时，补偿网络是LCL-LCL结构。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述系统采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。

3.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质记录有权利要求1所述的一种无线电能传输系统。

4.一种计算执行装置，其特征在于，所述计算执行装置用于计算权利要求1所述的一种无线电能传输系统。

5.一种无线电能传输服务器，其特征在于，所述服务器包括权利要求3所述的一种存储介质。