CN113381515B - 一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统 - Google Patents

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CN113381515B CN202110737625.6A CN202110737625A CN113381515B CN 113381515 B CN113381515 B CN 113381515B CN 202110737625 A CN202110737625 A CN 202110737625A CN 113381515 B CN113381515 B CN 113381515B
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Abstract

本发明公开一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，包括m个发射‑接收单元，其中,m＝1,2,…,N，第m个发射‑接收单元的输入为第m‑1个发射‑接收单元的输出，第m个发射‑接收单元的前两个极板与第m‑1个发射‑接收单元的后两个极板垂直放置形成中继单元m‑1,从而实现负载功率的解耦，并且设计了含有分立补偿电感的LCL‑L补偿网络对每个发射‑接收单元进行补偿,从而实现与负载无无关的恒压输出。本发明不需要复杂的控制和通信电路，成本低，且本发明系统采用了中继单元，实现了系统的负载功率解耦，输出电压与负载无关，并增加了能量传输距离，减小了占地面积，为多负载电场耦合式无线电能传输系统提供了新的结构。

Description

一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，具体是一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输(WPT)技术无外漏接口，具有运行安全、便捷灵活、无火花及触电危险、无积尘和接触损耗、无机械磨损和相应维护问题、可适应多种恶劣环境和天气、用户体验好等优点，受到了越来越多的关注。无线电能传输系统按照传输介质的不同可以分为磁场耦合方式(IPT)和电场耦合方式(CPT)。磁场耦合传输方式基于电磁感应原理，存在系统成本高、发射接收耦合装置的重量大、具有涡流损耗的问题。电场耦合式无线电能传输主要利用电场耦合机构—金属平板电容的交互电场耦合进行无线电能传输，相比于磁场耦合方式，电场耦合的无线电能传输系统能够克服金属障碍物能量传输阻断问题，具有较低的电磁干扰，大大降低无线发射接收盘重量和成本的优点。
目前，多负载电场耦合式无线电能传输系统已经在电池充电，发光二极管驱动供电，在线监控系统中得以广泛的应用，但是在目前的多负载电场耦合式无线电能传输系统中采用的结构主要分为以下两种：①多个单输入和单输出电场耦合式无线电能传输系统并联的结构；②采用一对大的发射极板和多对小的接收极板来形成耦合器，多对小的接收极板在同一平面上。由于以上两种结构需要让相邻的发射端、相邻的接收端之间的距离增大来减小交叉耦合，从而具有占地面积大的缺点。且目前的用电器大多采用恒压源进行供电，因此，设计一种能够给多个负载同时供电，具有恒压输出特性，并且实现负载功率解耦的电场耦合式无线电能传输系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，通过恒压输出特性，实现负载功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输，无线电能传输系统不需要复杂的控制和通信电路，成本低，且传输系统采用中继单元，实现了系统的负载功率解耦，输出电压与负载无关，并增加了系统的传输距离，减小了占地面积。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，所述无线电能传输系统包括1个逆变器和N个发射-接收单元。
所述逆变器以互补方式工作，输出基波电压Vin1的幅值为
Figure GDA0003728787690000021
第m个发射-接收单元包含①四个极板P4(m-1)+1,P4(m-1)+2,P4(m-1)+3和P4(m-1)+4，大小相等，②分立补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2，应满足 Lf,m_1＝Lf,m_2,L1,m_1＝L1,m_2,L2,m_1＝L2,m_2，③补偿电容Cf,m，④外部电容Cex1,m和Cex2,m,Cex1,m与P4(m-1)+1和P4(m-1)+2并联，Cex2,m与P4(m-1)+3和P4(m-1)+4并联，⑤负载电阻RL,m。
进一步地，所述第m个发射-接收单元的发送端由Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,Cf,m和Cex1,m构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路。
进一步地，所述第m个发射-接收单元的接收端由Cex2,m,L2,m_1和L2,m_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路。
进一步地，所述第m个发射-接收单元中的极板P4(m-1)+1,P4(m-1)+2与P4(m-1)+3,P4(m-1)+4平行放置以形成电容耦合器m，即极板P1和P2应与极板P3和P4平行放置以形成电容耦合器1，极板P4和P5应与极板P6和P7平行放置以形成电容耦合器2，以此类推，极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2与P4(N-1)+3,P4(N-1)+4平行放置以形成电容耦合器N；每个电容耦合器的后两个极板与下一个电容耦合器的前两个极板形成一个中继单元结构，其中，极板P3和P4应与极板P5和P6垂直放置形成中继单元1，极板P7和 P8应与极板P9和P10垂直放置形成中继单元2，以此类推，直至极板P4(N-2)+3和P4(N-2)+4与极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2垂直放置形成中继单元N-1；中继单元1，2,…,N-1的互电容分别为CMr,1,CMr,2,…,CMr,N-1，表示为：
Figure GDA0003728787690000031
Figure GDA0003728787690000032
所述中继单元中的四个极板的正对面积均相等，中继单元1中 C4,6＝C3,5＝C4,5＝C3,6,中继单元2中C8,10＝C7,9＝C8,9＝C7,10,依次类推，中继单元N-1中 C4(N-2)+4,4(N-1)+2＝C4(N-2)+3,4(N-1)+1＝C4(N-2)+4,4(N-1)+1＝C4(N-2)+3,4(N-1)+2，得到CMr,1＝CMr,2＝…＝CMr,N-1＝0，从而实现多负载电场耦合式无线电能传输系统的解耦；
进一步地，所述第m个发射-接收单元中补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2表示为：
Figure GDA0003728787690000033
C1,m＝Cin1,m+Cex1,m,C2,m＝Cin2,m+Cex2,m。
进一步地，所述第m个发射-接收单元中补偿电容Cf,m表示为：
Figure GDA0003728787690000034
进一步地，当忽略所有补偿电感和补偿电容的寄生电阻，第m个发射-接收单元中负载电阻两端的输出电压VRL,m表示为：
Figure GDA0003728787690000041
本发明的有益效果：
本发明无线电能传输系统不需要复杂的控制和通信电路，成本低，且传输系统采用中继单元，实现了系统的负载功率解耦，输出电压与负载无关，并增加了系统的传输距离，减小了占地面积。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明无线电能传输系统结构示意图；
图2是本发明无线电能传输系统耦合器结构示意图；
图3是本发明无线电能传输系统的等效Π电路模型图；
图4是本发明无线电能传输系统拓扑结构示意图；
图5是本发明含有三个负载的无线电能传输系统的耦合器结构示意图；
图6是本发明含有三个负载的无线电能传输系统的等效Π电路模型图；
图7是本发明含有三个负载的无线电能传输系统的输出电压的波形图；
图8是本发明含有三个负载的无线电能传输系统的输出电压的波形图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，包括1个逆变器和N 个发射-接收单元，如图1所示，所有单元的排列顺序为第1个发射-接收单元、第2个发射-接收单元、以此类推，直到第N个发射-接收单元，第1个发射-接收单元的输入电压为逆变器的输出电压Vin、第2个发射-接收单元的输入电压为第1个发射-接收单元的输出电压、以此类推，第N个发射-接收单元的输入电压为第N-1个发射-接收单元的输出电压；逆变器的输入直流电压是Vdc，工作角频率为ω0，逆变器以互补方式工作，输出基波电压Vin1的幅值可以表示为
Figure GDA0003728787690000051
第m个发射-接收单元，其中，m＝1,2,…,N,包含①四个极板 P4(m-1)+1,P4(m-1)+2,P4(m-1)+3和P4(m-1)+4,大小相等；②分立补偿电感 Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2，应满足Lf,m_1＝Lf,m_2,L1,m_1＝L1,m_2,L2,m_1＝L2,m_2；③补偿电容Cf,m；④外部电容Cex1,m和Cex2,m，Cex1,m与P4(m-1)+1和P4(m-1)+2并联，Cex2,m与P4(m-1)+3和P4(m-1)+4并联；⑤负载电阻RL,m；第m个发射-接收单元的发送端由 Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,Cf,m和Cex1,m构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路，第m 个发射-接收单元的接收端由Cex2,m,L2,m_1和L2,m_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路；
如图1、图2所示，第m个发射-接收单元中的极板P4(m-1)+1,P4(m-1)+2和 P4(m-1)+3,P4(m-1)+4平行放置以形成电容耦合器m，即极板P1和P2应与极板P3和P4平行放置以形成电容耦合器1，极板P4和P5应与极板P6和P7平行放置以形成电容耦合器2，以此类推，极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2与P4(N-1)+3,P4(N-1)+4平行放置以形成电容耦合器N；每个电容耦合器的后两个极板与下一个耦合器的前两个极板形成一个中继单元结构，其中，极板P3和P4应与极板P5和P6垂直放置形成中继单元1，极板 P7和P8应与极板P9和P10垂直放置形成中继单元2，以此类推，直至极板P4(N-2)+3和P4(N-2)+4与极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2垂直放置形成中继单元N-1；中继单元1，2,…,N-1 的互电容分别为CMr,1,CMr,2,…,CMr,N-1,可以表示为：
Figure GDA0003728787690000061
Figure GDA0003728787690000062
其中，Ci,j为极板Pi和极板Pj之间的耦合电容，i,j＝1,2,…,4(N-1)+4,i≠j, 由于中继单元中的四个极板的正对面积均相等，因此，中继单元1中 C4,6＝C3,5＝C4,5＝C3,6,中继单元2中C8,10＝C7,9＝C8,9＝C7,10,依次类推，中继单元N-1中 C4(N-2)+4,4(N-1)+2＝C4(N-2)+3,4(N-1)+1＝C4(N-2)+4,4(N-1)+1＝C4(N-2)+3,4(N-1)+2。因此，可以得到CMr,1＝CMr,2＝…＝CMr,N-1＝0，从而实现了多负载电场耦合式无线电能传输系统的解耦；
多负载电场耦合式无线电能传输系统的等效Π电路模型，如图3所示，补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2可以表示为：
Figure GDA0003728787690000063
其中，C1,m和C2,m分别是第m个发射-接收单元中发射极板和接收极板的等效自电容，可以表示为C1,m＝Cin1,m+Cex1,m,C2,m＝Cin2,m+Cex2,m,C1,m和C2,m分别是第m个发射- 接收单元中发射极板和接收极板的内部自电容，CM,m是第m个发射-接收单元中发射极板和接收极板的互电容；
补偿电容Cf,m可以表示为：
Figure GDA0003728787690000064
此时，当忽略所有补偿电感和补偿电容的寄生电阻，第m个发射-接收单元中负载电阻两端的输出电压VRL,m可以表示为：
Figure GDA0003728787690000065
其中，VRL,0与Vin1相等，将其代入可得，|VRL,1|＝|VRL,2|,…＝|VRL,N|，因此，N个发射-接收单元中负载电阻两端的输出电压幅值相等，且与负载电阻无关，因此，实现了多个负载的恒压输出，得到了具有恒压输出特性，实现了负载功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统。
实施例1
如图4所示，含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统，包括1个逆变器和3个发射-接收单元，单元的排列顺序为第1个发射-接收单元,第2个发射-接收单元,第3个发射-接收单元，第1个发射-接收单元的输入电压为逆变器的输出电压Vin，第2个发射-接收单元的输入电压为第1个发射-接收单元的输出电压VRL,1,第3个发射-接收单元的输入电压为第2个发射-接收单元的输出电压VRL,2,第3个发射-接收单元的输出电压为VRL,3；逆变器的输入直流电压是Vdc，工作角频率为ω0，逆变器以互补方式工作，输出基波电压Vin1的幅值可以表示为
Figure GDA0003728787690000071
第1个发射-接收单元包含①四个极板P1,P2,P3和P4,大小相等，②分立补偿电感Lf,1_1,Lf,1_2,L1,1_1,L1,1_2,L2,1_1和L2,1_2，且Lf,1_1＝Lf,1_2,L1,1_1＝L1,1_2,L2,1_1＝L2,1_2，③补偿电容Cf,1,④外部电容Cex1,1和Cex2,1，Cex1,1与P1和P2并联，Cex2,2与P3和P4并联, ⑤负载电阻RL,1；第1个发射-接收单元的发送端由Lf,1_1,Lf,1_2,L1,1_1,L1,1_2,Cf,1和 Cex1,1构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路，第1个发射-接收单元的接收端由 Cex2,1,L2,1_1和L2,1_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路；
第2个发射-接收单元包含①四个极板P5,P6,P7和P8，大小相等，②分立补偿电感Lf,2_1,Lf,2_2,L1,2_1,L1,2_2,L2,2_1和L2,2_2，且Lf,2_1＝Lf,2_2,L1,2_1＝L1,2_2,L2,2_1＝L2,2_2，③补偿电容Cf,2,④外部电容Cex1,2和Cex2,2，Cex1,2与P5和P6并联，Cex2,2与P7和P8并联, ⑤负载电阻RL,2；第2个发射-接收单元的发送端由Lf,2_1,Lf,2_2,L1,2_1,L1,2_2,Cf,2和Cex1,2构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路，第2个发射-接收单元的接收端由 Cex2,2,L2,2_1和L2,2_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路；
第3个发射-接收单元包含①四个极板P9,P10,P11和P12,大小相等,②分立补偿电感Lf,3_1,Lf,3_2,L1,3_1,L1,3_2,L2,3_1和L2,3_2，且Lf,3_1＝Lf,3_2,L1,3_1＝L1,3_2,L2,3_1＝L2,3_2，③补偿电容Cf,3,④外部电容器Cex1,3和Cex2,3，Cex1,3与P9和P10并联，Cex2,3与P11和P12并联,⑤负载电阻RL,3；第3个发射-接收单元的发送端由Lf,3_1,Lf,3_2,L1,3_1,L1,3_2,Cf,3和Cex1,3构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路，第3个发射-接收单元的接收端由Cex2,3,L2,3_1和L2,3_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路。
含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统的耦合器结构，如图5所示，极板P1,P2与P3，P4平行放置形成电容耦合器1，极板P5,P6和P7，P8平行放置形成电容耦合器2，极板P9,P10和P11，P12平行放置形成电容耦合器3，并且极板P3和P4应与极板P5和P6垂直放置形成中继单元1，极板P7和P8应与极板P9和P10垂直放置形成中继单元2；中继单元1和2的互电容分别为CMr,1和CMr,2,可以表示为：
Figure GDA0003728787690000081
其中，Ci,j为极板Pi和极板Pj之间的耦合电容，i,j＝3,4,…,10,i≠j,由于中继单元中的四个极板的正对面积均相等，因此，中继单元1中C4,6＝C3,5＝C4,5＝C3,6, 中继单元2中C8,10＝C7,9＝C8,9＝C7,10,因此，可以得到CMr,1＝CMr,2＝0，从而实现了多负载电场耦合式无线电能传输系统的解耦。
含有三负载电场耦合式无线电能传输系统的等效Π电路模型，如图6所示，第m个发射-接收单元中补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2可以表示为：
Figure GDA0003728787690000091
其中,m＝1,2,3,C1,m和C2,m分别是第m个发射-接收单元中发射极板和接收极板的等效自电容，可以表示为C1,m＝Cin1,m+Cex1,m,C2,m＝Cin2,m+Cex2,m,C1,m和C2,m分别是第m个发射-接收单元中发射极板和接收极板的内部自电容，CM,m是第m个发射-接收单元中发射极板和接收极板的互电容；
第m个发射-接收单元中补偿电容Cf,m可以表示为：
Figure GDA0003728787690000092
此时，当忽略所有补偿电感和补偿电容的寄生电阻，第m个发射-接收单元中负载电阻两端的输出电压VRL,m可以表示为：
Figure GDA0003728787690000093
其中，VRL,0与Vin1相等，代入可得，|VRL,1|＝|VRL,2|＝|VRL,3|，因此，含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统的负载电阻两端的输出电压幅值相等，且与负载电阻无关，因此实现了三个负载的恒压输出，得到了具有恒压输出特性，实现了负载功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统。
实验结果分析
如图7所示，当负载电阻RL,1＝RL,2＝RL,3＝234Ω时，含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统的输出电压的波形,可以看出逆变器输出电压的有效值为 34.6V，第一个负载的输出电压的有效值为33.7V，第二个负载的输出电压的有效值为33V，第三个负载的输出电压的有效值为33.7V,可以看出三个负载电压近似相等。
如图8所示，当负载电阻RL,1＝RL,2＝RL,3＝468Ω时，含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统的输出电压的波形，可以看出逆变器输出电压的有效值为 34.7V，第一个负载的输出电压的有效值为34V，第二个负载的输出电压的有效值为33.5V，第三个负载的输出电压的有效值为33.2V，可以看出三个负载电压近似相等。
如图7、图8所示，后一个负载相对于前一个负载电压的少量下降是由于补偿电路中的内阻引起的。上述实验结果说明含有三个负载的电场耦合式无线电能传输系统实现恒压输出以及负载功率解耦。
从以上实施例可看出，采用本发明提出的含有多个负载的电场耦合式无线电能传输系统能够实现恒压输出以及负载功率解耦。
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 (4)

1.一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括1个逆变器和N个发射-接收单元；
所述逆变器以互补方式工作，输出基波电压Vin1的幅值为
Figure FDA0003728787680000011
第m个发射-接收单元包含①四个极板P4(m-1)+1,P4(m-1)+2,P4(m-1)+3和P4(m-1)+4，大小相等，②分立补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2，应满足Lf,m_1＝Lf,m_2,L1,m_1＝L1,m_2,L2,m_1＝L2,m_2，③补偿电容Cf,m，④外部电容Cex1,m和Cex2,m,Cex1,m与P4(m-1)+1和P4(m-1)+2并联，Cex2,m与P4(m-1)+3和P4(m-1)+4并联，⑤负载电阻RL,m；
所述m＝1,2,......N；
所述第m个发射-接收单元的发送端由Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,Cf,m和Cex1,m构成含有分立补偿电感的LCLC补偿电路；
所述第m个发射-接收单元的接收端由Cex2,m,L2,m_1和L2,m_2构成含有分立补偿电感的CL补偿电路；
所述第m个发射-接收单元中的极板P4(m-1)+1,P4(m-1)+2与P4(m-1)+3,P4(m-1)+4平行放置以形成电容耦合器m，即极板P1和P2应与极板P3和P4平行放置以形成电容耦合器1，极板P4和P5应与极板P6和P7平行放置以形成电容耦合器2，以此类推，极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2与P4(N-1)+3,P4(N-1)+4平行放置以形成电容耦合器N；每个电容耦合器的后两个极板与下一个电容耦合器的前两个极板形成一个中继单元结构，其中，极板P3和P4应与极板P5和P6垂直放置形成中继单元1，极板P7和P8应与极板P9和P10垂直放置形成中继单元2，以此类推，直至极板P4(N-2)+3和P4(N-2)+4与极板P4(N-1)+1,P4(N-1)+2垂直放置形成中继单元N-1；中继单元1，2,…,N-1的互电容分别为CMr,1,CMr,2,…,CMr,N-1，表示为：
Figure FDA0003728787680000021
Figure FDA0003728787680000022
所述中继单元中的四个极板的正对面积均相等，中继单元1中C4,6＝C3,5＝C4,5＝C3,6,中继单元2中C8,10＝C7,9＝C8,9＝C7,10,依次类推，中继单元N-1中C4(N-2)+4,4(N-1)+2＝C4(N-2)+3,4(N-1)+1＝C4(N-2)+4,4(N-1)+1＝C4(N-2)+3,4(N-1)+2，得到CMr,1＝CMr,2＝…＝CMr,N-1＝0，从而实现多负载电场耦合式无线电能传输系统的解耦。
2.根据权利要求1所述的一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于，所述第m个发射-接收单元中补偿电感Lf,m_1,Lf,m_2,L1,m_1,L1,m_2,L2,m_1和L2,m_2表示为：
Figure FDA0003728787680000023
C1,m＝Cin1,m+Cex1,m,C2,m＝Cin2,m+Cex2,m。
3.根据权利要求1所述的一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于，所述第m个发射-接收单元中补偿电容Cf,m表示为：
Figure FDA0003728787680000024
4.根据权利要求1所述的一种功率解耦的多负载电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于，当忽略所有补偿电感和补偿电容的寄生电阻，第m个发射-接收单元中负载电阻两端的输出电压VRL,m表示为：
Figure FDA0003728787680000025
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