CN115864666A - 一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式无线输电耦合器，包括均为平板结构的第一至第四极板以及均为柱状体单开口结构的第一和第二屏蔽体；第一和第三极板、第二和第四极板分别平行正对设置；第一和第二屏蔽体的底板平行正对设置且开口方向相对；第一、第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三、第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；第一、第二极板和第一屏蔽体构成耦合器的发射端；第三、第四极板和第二屏蔽体构成耦合器的接收端；几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。本发明通过屏蔽体开口相对的设置，使其相较传统的耦合器的电场泄露大幅减小，电场安全距离限制在耦合器尺寸内。

Description

一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及无线输电技术领域，更具体地，涉及一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法。

背景技术

新能源汽车与船舶等全电移动平台迎来了新的发展机遇。无线电能传输技术已经连续两年被世界经济论坛（WEF）列为影响最大的十大新兴技术之一，其具有无线、无触点、安全智能等特点，很可能是推动整个电动车船产业的关键。

电容式无线电能传输（Capacitive Power Transfer, CPT）作为无线输电的重要技术方案，利用电场来传输电能，不会产生涡流损耗，与感应式无线电能传输相比具有一些优势。但在实际应用过程中，由于传输距离往往需要达到数十厘米，此时CPT系统的耦合电容大小只有pF级别，较难实现大功率的传输。现有CPT系统在安全性方面仍有的两个明显不足如下所述：

（1）电场泄露问题：现有CPT系统的传输距离为0.1m左右，而电场安全距离可为0.1m左右，相当于电场分布在比传输距离还要大一倍左右的空间，如果应用在电动车船无线充电中，必然要覆盖车体/船体范围，对人身安全造成影响。

（2）高电压误触问题：现有CPT系统均是采用裸露的金属极板，不仅容易造成人体误触，而且没有防水防腐的功能，无法达到电动车/船无线充电的实用性要求。

发明内容

针对现有技术存在的电场泄露问题和高电压误触问题，本发明克服了现有技术的不足，提供了一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法，其目的是保证低成本和高可靠性的前提下，使泄露电场安全距离进一步降低，并对极板进行绝缘设计，以达到防水防误触的要求。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电容式无线输电耦合器，包括均为平板结构的第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，以及均为柱状体单开口结构的第一屏蔽体和第二屏蔽体；

第一极板和第三极板平行正对设置，第二极板和第四极板平行正对设置；第一屏蔽体和第二屏蔽体的底板平行正对设置，且开口方向相对；第一极板和第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三极板和第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一屏蔽体和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；

第一极板、第二极板和第一屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的发射端；第三极板、第四极板和第二屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的接收端；

上述的几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。

进一步地，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为长方体单开口结构。

进一步地，第一极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第二极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等；

第三极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第四极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等。

进一步地，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为尺寸相等的正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为尺寸相等的长方体单开口结构。

进一步地，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度被设置需满足的条件为：

纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值。

进一步地，金属材质外包裹的绝缘材质的绝缘层的厚度被设置需满足的条件为：

最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强。

第二方面，本发明提供了一种无线输电系统，包括上述任一项所述的电容式无线输电耦合器以及逆变器、补偿网络和整流器；

所述无线输电系统用于采用无线的方式进行输电。

进一步地，所述逆变器为全桥式逆变器，所述整流器为全桥式整流器，所述补偿网络为四线圈式补偿网络。

第三方面，本发明提供了一种电容式无线输电耦合器的设计方法，包括：

基于无线输电系统的包括传输功率、传输距离、输入电压、输出电压和工作频率中的一种或多种指标的设计需求，对上述任一项所述的电容式无线输电耦合器的各部件的尺寸参数以及相对位置参数做初始化赋值；

通过有限元仿真得到所述电容式无线输电耦合器的电场分布情况；若纵向电场安全距离大于预设的纵向电场安全距离阈值，则增加第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行有限元仿真；若纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值，则采用此时的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行下一步；

若最高电场强度÷绝缘层的厚度＞绝缘材质的击穿场强，则增加绝缘层的厚度，并继续进行有限元仿真；若最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强，则采用此时的绝缘层的厚度。

第四方面，本发明提供了一种无线输电系统的设计方法，包括：

在上述的电容式无线输电耦合器的设计方法中的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度以及绝缘层的厚度确定的基础上，通过有限元仿真得到上述的四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值；

基于四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值，通过电容的串并联公式以获取电容式无线输电耦合器在所述无线输电系统中的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值；

基于所述的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值，获取所述无线输电系统的补偿网络的参数。

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：

（1）本发明通过屏蔽体开口相对的设置，使其相较传统的耦合器的电场泄露大幅减小，电场安全距离限制在耦合器尺寸内；且通过极板金属材料外包裹绝缘材料的夹层结构设计，提升了设备的防水防腐性能及使用的安全性。绝缘层的设计不仅防止了人体误触，更实现了耦合器的防水防腐，达到了电动车/船的实用性要求，同样适用于水下等复杂环境。

（2）本发明对绝缘材料的厚度、屏蔽体的边缘高度以及电场分布情况进行了综合分析和设计，使得绝缘层的设计厚度以及屏蔽体的边缘设计高度保证了绝缘层不会被击穿的同时兼顾了包括传输安全性的电能传输要求。

（3）设备的整体设计具有成本较低和可靠性较高的优点，更易于推广和应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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为本发明实施例提供的耦合器三维结构图；

图2为本发明实施例提供的耦合器结构剖面图；

图3为本发明实施例提供的耦合器各部件尺寸及摆放位置示意图；

图4为本发明实施例提供的耦合器与无线输电系统电路连接的示意图；

图5为本发明实施例提供的耦合器各部件间形成电容的示意图；

图6为本发明实施例提供的耦合器中每块板状部件包覆绝缘材料示意及形成的等效电容示意图；

图7为本发明实施例提供的一种具有强电场屏蔽效果的电容式无线输电耦合器及相应的无线输电系统的设计方法流程图；

图8为本发明实施例提供的耦合器的有限元仿真电场分布图；

图9为现有技术提供的传统六极板式耦合器的有限元仿真电场分布图；

图10为现有技术提供的传统四极板式耦合器的有限元仿真电场分布图；

图11为本发明实施例提供的耦合器在无线输电系统应用中的等效电路图；

图中各标号为：P1、P2、P3、P4—极板；P5、P6—屏蔽体；S1、S2、S3、S4—无线输电系统的逆变器开关管；D1、D2、D3、D4—无线输电系统的整流器开关管；L1、L2、L3、L4—无线输电系统的补偿电感；C1、C4—无线输电系统的补偿电容；C2、C3、Cs—耦合器在无线输电系统中的等效电容。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请的说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序的。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，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种具有强电场屏蔽效果的电容式无线输电耦合器，包括均为平板结构（平板形状不做限定）的极板P1、极板P2、极板P3、极板P4，以及均为柱状体单开口结构的屏蔽体P5和屏蔽体P6。柱状体单开口结构即为底面形状不做限制的柱状体结构，该柱状体结构的横剖截面均与底面的形状及大小完全一致，且其上下两个底面的其中一个是没有的（即单开口）。其中，极板P1、极板P2和屏蔽体P5共同构成了电容式无线输电耦合器的发射端，极板P3、极板P4和屏蔽体P6共同构成了电容式无线输电耦合器的接收端。

六块板的材料均为内层为金属材料的金属层、外层包裹着绝缘材料的绝缘层的层状结构，金属层的厚度为H_met，绝缘层的厚度为H_ins，因此，每块板的厚度为H_met+2*H_ins。

如图3所示，在一个实施例中，为了便于实施，优选的，极板P1、P2、P3和P4均为正方形的平板结构，极板P1的外尺寸为l₁*l₁，极板P2的外尺寸为l₂*l₂，极板P3的外尺寸为l₃*l₃，极板P4的外尺寸为l₄*l₄。优选的，屏蔽体P5和P6均为开口的长方体，屏蔽体P5的长宽高外尺寸分别为l_l1、l_w1和l_h1，屏蔽体P6的长宽高外尺寸分别为l_l2、l_w2和l_h2。

对于耦合器的发射端，极板P1和极板P2保持水平对齐，两板间的水平距离为l_s1，极板P1、P2放置于屏蔽体P5的中间位置，极板P1到屏蔽体P5的边缘的水平距离为l_e1，极板P2到屏蔽体P5的边缘的水平距离为l_e2，显然的，l_l1=l₁+l₂+l_s1+l_e1+l_e2，l_w1=l₁+2*l_e1=l₂+2*l_e2。极板P1、P2到屏蔽体P5的垂直距离为d₁。

对于耦合器的接收端，极板P3和极板P4保持水平对齐，两板间的水平距离为l_s2，极板P3、P4放置于屏蔽体P6的中间位置，极板P3到屏蔽体P6的边缘的水平距离为l_e3，极板P4到屏蔽体P6的边缘的水平距离为l_e4，显然的，l_l2=l₃+l₄+l_s2+l_e3+l_e4，l_w2=l₃+2*l_e3=l₄+2*l_e4。极板P3、P4到屏蔽体P6的垂直距离为d₂。

耦合器发射端到接收端的传输距离为d，因此极板P1、P2到极板P3、P4的垂直距离为d。在无线电能传输的过程中，发射端与接收端保持正对，因此极板P1与极板P3保持平行正对，极板P2与极板P4保持平行正对，屏蔽体P5与屏蔽体P6的底板间保持平行正对，且开口方向相对。

如图4所示，进行无线电能传输时，极板P1、极板P2接入发射端电路，极板P3、极板P4接入接收端电路，屏蔽体P5、屏蔽体P6不接电，为零电位状态。根据电容产生的机理，极板或屏蔽体任意两个之间均会产生一个等效电容，如图5所示，极板P1与极板P2之间的电容为C12、极板P1与极板P3之间的电容为C13、极板P1与屏蔽体P5之间的电容为C15，以此类推，六个部件（4个极板和2个屏蔽体）之间共计会产生C12-C56共15个等效电容。

进一步地，由于每个部件都是内层金属材料、外层绝缘材料的结构，因此，根据电容产生的机理，电容不仅在传输介质中产生，而且在绝缘材料中产生。如图6所示，极板P1与极板P3之间产生的电容就包括极板P1绝缘材料中的电容C13_ins、传输介质中的电容C13_air、极板P3绝缘材料中的电容C13_ins。其中，极板P1和极板P3绝缘材料的厚度相同，所以电容也相同，均记为C13_ins。显然的，极板P1与极板P3之间的等效电容C13的值为C13_ins、C13_air和C13_ins三个电容的串联，即

。以此类推，六个部件之间产生的15个等效电容C12-C56计算时均需要考虑绝缘材料和传输介质电容，绝缘材料厚度改变或者传输距离改变时，C12-C56的电容值均会产生变化。

图7是本发明另一实施例的一种具有强电场屏蔽效果的电容式无线输电耦合器及相应的无线输电系统的设计方法流程图，所述的设计方法主要包括以下几个步骤，下面结合图8-图11具体说明。

步骤1、确定无线输电系统的设计需求：系统传输功率P = 3kW、传输距离d =100mm、系统输入电压U_in= 500V、系统输出电压U_out= 500V。

步骤2、确定系统的工作频率f=1MHz，初始化上文提及的耦合器各部件的外尺寸参数，包括极板P1-P4的长宽、屏蔽体P5、P6的长宽。具体尺寸参数赋值如下：l₁ = l₂ = l₃ = l₄ = 600mm，l_s1 = l_s2 = 100mm，l_e1 = l_e2 = 50mm，l_l1 = l₁+l₂+l_s1+l_e1+l_e2 = 1400mm，l_w1 = l₁+2*l_e1=l₂+2*l_e2 = 700mm。极板P1、P2到屏蔽体P5的垂直距离为d₁ = 50mm。极板P3、P4到屏蔽体P6的垂直距离为d₂ = 50mm。

步骤3、初始化绝缘层的厚度为1mm。

步骤4、初始化屏蔽体P5、P6的边缘高度l_h1、l_h2为50mm。

步骤5、通过有限元仿真得到耦合器的电场分布情况。

步骤6、查看耦合器的电场分布情况，电场强度614V/m以下认定为电场安全距离，功率传输方向为纵向，若纵向电场安全距离＞5mm，则增加屏蔽体的边缘弯折高度l_h1、l_h2，并返回步骤5继续进行有限元仿真设计；若纵向电场安全距离≤5mm，则继续进行下一步。如图8所示，本实施例中的耦合器参数进行有限元仿真的电场分布，纵向电场安全距离为0mm，因此继续进行下一步（为解释本发明在减小纵向电场安全距离方面的效果，图9和图10分别展示了传统的六极板式和四极板式耦合器的有限元仿真的电场分布情况，在保持极板尺寸大体相同的情况下，传统六极板式耦合器纵向电场安全距离为100mm，传统四极板式耦合器纵向电场安全距离为900mm）。

步骤7、查看耦合器的电场分布情况，找到电场强度的最高点，用最高电场强度除以绝缘层的厚度，并与绝缘材料的击穿场强做对比，若最高电场强度÷绝缘层的厚度＞绝缘材料的击穿场强，则增加绝缘层的厚度，并返回步骤5继续进行有限元仿真设计；若最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材料的击穿场强，则继续进行下一步。本实施例中，最高电场强度为1.6kV/mm，绝缘材料采用FR4环氧板材，其介电常数为4.4，击穿场强为35kV/mm，因此最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材料的击穿场强，继续进行下一步。

步骤8、通过有限元仿真得到任意两部件间的15个电容的电容值C12-C56。C12=49.072pF，C13=1440.7pF，C14=35.9pF，C15=2997.6pF，C16=321.33pF，C23=35.835pF，C24=1440.7pF，C25=2997.3pF，C26=321.01pF，C34=49.039pF，C35=321.36pF，C36=2995.8pF，C45=322.01pF，C46=2996pF，C56=2275pF。

步骤9、基于以上的15个电容进行串并联公式的计算以获取无线电能传输等效电路中的等效电容值C2、C3、Cs，如图11所示，计算公式如下：

。

计算得到等效电容值C2=1744.2pF，C3=1743.7pF，Cs=702.42pF。

步骤10、如图11所示，本实施例选用四线圈式补偿网络，根据耦合器等效电容值C2、C3、Cs计算无线输电系统其它补偿网络的参数，C1=C4=1.4nF，L1=L4=18.1uH，L2=L3=11.3uH。至此，完成了耦合器的局部设计以及无线输电系统的整体设计。

必须说明的是，一个基本的无线输电系统包括逆变器、补偿网络、耦合器、整流器，本发明提出的耦合器作为该无线输电系统其中的一个组件，可以与其它组件有多种不同的组合形式，因而具有多种具体实施方式。本实施例中采用的是全桥式逆变器、全桥式整流器、四线圈式补偿网络，本领域的技术人员容易理解，采用其它形式的逆变器、整流器、补偿网络形式也可与本发明提出的耦合器组合使用，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (10)

1.一种电容式无线输电耦合器，其特征在于，包括均为平板结构的第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，以及均为柱状体单开口结构的第一屏蔽体和第二屏蔽体；

第一极板和第三极板平行正对设置，第二极板和第四极板平行正对设置；第一屏蔽体和第二屏蔽体的底板平行正对设置，且开口方向相对；第一极板和第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三极板和第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一屏蔽体和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；

第一极板、第二极板和第一屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的发射端；第三极板、第四极板和第二屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的接收端；

上述的几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。

2.如权利要求1所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为长方体单开口结构。

3.如权利要求2所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，第一极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第二极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等；

第三极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第四极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等。

4.如权利要求3所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为尺寸相等的正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为尺寸相等的长方体单开口结构。

5.如权利要求4所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度被设置需满足的条件为：

纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值。

6.如权利要求5所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，金属材质外包裹的绝缘材质的绝缘层的厚度被设置需满足的条件为：

最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强。

7.一种无线输电系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的电容式无线输电耦合器以及逆变器、补偿网络和整流器；

所述无线输电系统用于采用无线的方式进行输电。

8.如权利要求7所述的无线输电系统，其特征在于，所述逆变器为全桥式逆变器，所述整流器为全桥式整流器，所述补偿网络为四线圈式补偿网络。

9.一种电容式无线输电耦合器的设计方法，其特征在于，包括：

基于无线输电系统的包括传输功率、传输距离、输入电压、输出电压和工作频率中的一种或多种指标的设计需求，对权利要求1-6任一项所述的电容式无线输电耦合器的各部件的尺寸参数以及相对位置参数做初始化赋值；

通过有限元仿真得到所述电容式无线输电耦合器的电场分布情况；若纵向电场安全距离大于预设的纵向电场安全距离阈值，则增加第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行有限元仿真；若纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值，则采用此时的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行下一步；

若最高电场强度÷绝缘层的厚度＞绝缘材质的击穿场强，则增加绝缘层的厚度，并继续进行有限元仿真；若最高电场强度÷绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强，则采用此时的绝缘层的厚度。

10.一种无线输电系统的设计方法，其特征在于，包括：

在权利要求9的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度以及绝缘层的厚度确定的基础上，通过有限元仿真得到上述的四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值；

基于四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值，通过电容的串并联公式以获取电容式无线输电耦合器在所述无线输电系统中的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值；

基于所述的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值，获取所述无线输电系统的补偿网络的参数。

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