CN116137464B

CN116137464B - 一种电场式无线电能传输五板耦合器及其等效方法

Info

Publication number: CN116137464B
Application number: CN202310424108.2A
Authority: CN
Inventors: 荣恩国; 孙盼; 吴旭升; 杨刚; 张筱琛; 蔡进
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2023-04-20
Filing date: 2023-04-20
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2043-04-20
Also published as: CN116137464A

Abstract

本发明公开了一种电场式无线电能传输五板耦合器，包括沿预设方向依次相互平行设置的耦合器发射端极板层、接收端极板层和接收端屏蔽板层；发射端极板层所处平面内设置有第一和第二极板；接收端极板层所处平面内设置有第三和第四极板，接收端屏蔽板层设置有用于屏蔽电场的屏蔽板；第一和第三极板的正对面积大于零，第二和第四极板的正对面积大于零，屏蔽板在垂直板面方向的投影完全覆盖第三和第四极板；上述四个极板和屏蔽板均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层板状结构。该五板耦合器相较现有的四板耦合器在接收端有更好的电场屏蔽效果，且相较六板耦合器在少一块屏蔽板的情况下在接收端也能实现较好的电场屏蔽效果，其设计更简洁，成本更低廉。

Description

一种电场式无线电能传输五板耦合器及其等效方法

技术领域

本发明涉及无线输电技术领域，更具体地，涉及一种电场式无线电能传输五板耦合器及其等效方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术在新能源船舶和水下自主航行器中得到了广泛的应用，水下无线电能传输技术具有广阔的应用前景。目前，为实现水下无线电能传输的目的，有两种主流的技术方案，分别是感应式无线电能传输（IPT）和电场式无线电能传输（ECPT）。感应式无线输电耦合器结构较为复杂，包括线圈、铁氧体和屏蔽层等，在水环境中难以密封，且在水下高压环境下，还需要考虑压磁效应和线圈形变带来的参数变化问题。而电场式无线输电耦合器通常只需要金属板，其更容易密封，且在深水高压下也非常坚固，同时具有更轻的重量和更低的成本。最重要的是，水的介电常数是空气的81倍，这可以大大增加耦合电容，从而提高功率传输的能力。因此，电场式无线输电技术更适用于水下应用场景。

传统的电场式耦合器为四板结构，在极板周围存在很高的电场，应用过程中存在电场安全性问题，且容易受到外界干扰。而现有技术中的六板耦合器结构，其虽然可以有效降低电场的泄露，然而，六板式耦合器各板间却形成了15个电容，其设计流程较为复杂，耦合器成本相对较高，且其金属极板一般没有绝缘，容易造成触电等安全问题。

在水下电场式无线电能传输系统中，发射端一般位于岸边或水底，其位置相对开阔，对体积的要求较低，且充电船舶也不能完全紧贴岸边，需要留有一定的距离，因此水下无线输电系统对发射侧的体积和电场安全距离要求较低。而对于接收端来说，被充电设备对体积的要求较高，且无论是作为载人的交通工具还是作为水下无人设备，均对安全性提出了更高的要求，因此接收端需要做好电场屏蔽。

发明内容

针对现有技术在水下电场式无线电能传输的应用场景中无法兼顾对耦合器接收端电场泄露的良好屏蔽性以及对耦合器结构设计的简洁性和经济性的技术问题，本发明提出了一种电场式无线电能传输五板耦合器及其等效方法，其目的是在保证无线电能传输效果的前提下，既能对耦合器接收端的泄露电场进行良好地屏蔽，又能使耦合器的结构设计更加精简、成本更加低廉。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电场式无线电能传输五板耦合器，包括沿预设方向依次相互平行设置的耦合器发射端极板层、耦合器接收端极板层和耦合器接收端屏蔽板层；

耦合器发射端极板层所处平面内设置有第一极板和第二极板；

耦合器接收端极板层所处平面内设置有第三极板和第四极板，耦合器接收端屏蔽板层设置有用于屏蔽电场的屏蔽板；

第一极板和第三极板的正对面积大于零，第二极板和第四极板的正对面积大于零，屏蔽板在垂直板面方向的投影完全覆盖第三极板和第四极板；

上述四个极板和屏蔽板均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层板状结构。

进一步地，上述四个极板和屏蔽板的板面形状均为矩形；

第一极板和第三极板在垂直板面方向的投影重合；

第二极板和第四极板在垂直板面方向的投影重合。

进一步地，第三极板的板面的三个边分别到屏蔽板的板面一端的三个边的距离相等，第四极板的板面的三个边分别到屏蔽板的板面另一端的三个边的距离相等。

进一步地，上述四个极板的板面形状均为面积相等的正方形。

第二方面，本发明提供了一种针对上述任一项所述的电场式无线电能传输五板耦合器的等效方法，包括：

基于所有的耦合电容以及电路连接关系，构建五板耦合器的全电容等效模型；

定义耦合器发射端和耦合器接收端各自的自电容以及之间的互电容，将所述全电容等效模型简化为二端口受控电流源等效模型，获取二端口受控电流源等效模型KCL方程；

分别短接全电容等效模型耦合器接收端和耦合器发射端代表两极板的节点，对应简化全电容等效模型并选定参考节点，获取对应的全电容简化模型KCL方程，联立二端口受控电流源等效模型KCL方程，分别获取耦合器发射端和耦合器接收端的自电容；

短接全电容等效模型耦合器接收端或耦合器发射端代表两极板的节点，获取对应的短接节点KCL方程，联立对应的全电容简化模型KCL方程，以及二端口受控电流源等效模型KCL方程，获取耦合器发射端和耦合器接收端之间的互电容。

进一步地，所述二端口受控电流源等效模型KCL方程为：

其中，I ₁、V ₁和C ₁分别为耦合器发射端的电流、电压和自电容；I ₂、V ₂和C ₂分别为耦合器接收端的电流、电压和自电容；C _M为耦合器发射端和耦合器接收端之间的互电容。

进一步地，全电容简化模型KCL方程包括第一方程和/或第二方程；

所述第一方程为：

其中，第一方程是短接全电容等效模型耦合器接收端代表两极板的节点，设定代表耦合器发射端的第二极板的节点为参考节点时的全电容简化模型四节点KCL方程；

；形如C _mn代表第m板和第n板间的等效电容, 第一极板至第四极板、屏蔽板依次编号为第一板至第五板；形如V _Pn代表第n板所处节点的电压；

所述第二方程为：

其中，第二方程是短接全电容等效模型耦合器发射端代表两极板的节点，设定代表耦合器接收端的第四极板的节点为参考节点时的全电容简化模型四节点KCL方程；

；形如V _Pn ^，代表第n板所处节点的电压。

进一步地，短接节点KCL方程包括：

其中，该方程为短接全电容等效模型耦合器接收端代表两极板的节点时，针对代表第四极板的节点的KCL方程。

进一步地，耦合器发射端的自电容的表达式为：

其中，C ₁为耦合器发射端的自电容，

；

耦合器接收端的自电容的表达式为：

其中，C ₂为耦合器接收端的自电容，

；

耦合器发射端和耦合器接收端之间的互电容的表达式为：

其中，C _M为耦合器发射端和耦合器接收端之间的互电容。

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）本发明所提出的电场式无线电能传输五板耦合器相较目前应用最为广泛的电场式四板耦合器，实现了耦合器接收端的电场屏蔽，有效地减小了接收端的电场安全距离，保障了被充电设备和人身的安全。而与电场式六板耦合器相比，五板耦合器能够在少一块屏蔽板的情况下也能够实现较好的接收端电场屏蔽效果，其成本更低廉，设计更为简单，更易于推广和应用，尤其适用于水下环境、大功率无线电能传输的应用场景。该五板耦合器可以在保证无线电能传输效果的前提下，既能对耦合器接收端的泄露电场进行良好地屏蔽，又能使耦合器的结构设计更加精简、成本更加低廉，且对极板进行了绝缘设计，达到了防水防误触的技术要求。

（2）本发明提出的电场式无线电能传输五板耦合器的等效方法可以实现五板耦合器的精确建模，简化后的二端口受控电流源等效模型精简而有效。依据本发明所提出的等效设计方法，技术人员可以更快速、准确地对电场式无线电能传输五板耦合器进行开发设计。

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电场式无线电能传输五板耦合器的三维结构图；

图2为本发明实施例提供的五板耦合器各板尺寸及摆放位置示意图；

图3为本发明实施例提供的五板耦合器各板间形成的等效电容的分布示意图；

图4为本发明实施例提供的电场式无线电能传输五板耦合器的等效设计方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的五板耦合器的全电容等效模型；

图6为本发明实施例提供的五板耦合器的二端口受控电流源等效模型；

图7为本发明实施例提供的五板耦合器V₂两端节点短接的全电容等效模型；

图8为本发明实施例提供的五板耦合器V₂两端节点短接的全电容等效简化模型；

图9为本发明实施例提供的五板耦合器V₁两端节点短接的全电容等效模型；

图10为本发明实施例提供的五板耦合器V₁两端节点短接的全电容等效简化模型；

图11为本发明实施例提供的五板耦合器互电容随传输距离变化的曲线图（与四板、六板耦合器结构进行对比）；

图12为本发明实施例提供的五板耦合器自电容随传输距离变化的曲线图（与四板、六板耦合器结构进行对比）；

图13为本发明实施例提供的五板耦合器互电容随屏蔽板到极板距离变化的曲线图（与六板耦合器结构进行对比）；

图14为本发明实施例提供的五板耦合器自电容随屏蔽板到极板距离变化的曲线图（与六板耦合器结构进行对比）；

图15为本发明实施例提供的五板耦合器的有限元仿真电场分布图；

图16为传统六板式耦合器的有限元仿真电场分布图；

图17为传统四板式耦合器的有限元仿真电场分布图；

图中各标号为：P1—发射端的第一极板；P2—发射端的第二极板；P3—接收端的第三极板；P4—接收端的第四极板；P5—接收端的屏蔽板；V₁—发射端的电压；V₂—接收端的电压；I₁—发射端的电流；I₂—接收端的电流；C₁—发射端的自电容；C₂—接收端的自电容；C_M—发射端和接收端之间的互电容。

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地说明。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”以及它们的任何变形，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、产品或设备并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所示，本发明的一个实施例提供了一种电场式无线电能传输五板耦合器，包括均相互平行的第一极板P1（简称极板P1或板P1，其他板同理，下同）、第二极板P2、第三极板P3、第四极板P4和屏蔽板P5。其中，极板P1和极板P2共面，均位于耦合器的发射端。极板P3和极板P4共面，极板P3、极板P4和屏蔽板P5均位于耦合器的接收端。五块板的材料均为内层金属材料、外层包裹绝缘材料。极板P1和极板P3的正对面积大于零（即该两极板在垂直板面方向上的投影有重叠的部分），极板P2和极板P4的正对面积大于零，屏蔽板P5在垂直板面方向上的投影完全覆盖耦合器的接收端的极板P3和极板P4。极板及屏蔽板的板面形状不做限定，只要满足上述的相对位置关系即可具有更优的技术效果，但考虑到制造工艺方面的便捷性以及产品的标准化等问题，如图2所示，优选的，板P1~P5的板面形状均设置为矩形，极板P1和极板P3在垂直板面方向的投影重合，极板P2和极板P4在垂直板面方向的投影重合。更优选的，极板P1、P2、P3、P4的板面形状均为正方形，边长分别为l₁~l₄；屏蔽板P5的板面形状为长方形，长、宽分别为l_l5和l_w5。

对于耦合器的发射端，极板P1和P2保持水平对齐，两板间的水平距离为l_s1；对于耦合器的接收端，极板P3和P4保持水平对齐，两板间的水平距离为l_s2。优选的，极板P3三边到屏蔽板P5三边的水平距离均为l_e3，极板P4三边到屏蔽板P5三边的水平距离均为l_e4。显然的，l_l5=l₃+l₄+l_s2+l_e3+l_e4，l_w5=l₃+2*l_e3=l₄+2*l_e4。极板P3、P4到屏蔽板P5的垂直距离为d_s。耦合器的发射端极板与接收端极板之间距离为d，从而极板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保持正对，极板P2与极板P4保持正对。

如图3所示，在进行无线电能传输时，极板P1、P2接入发射端电路；极板P3、P4接入接收端电路；屏蔽板P5不接电，为零电位状态。根据电容产生的机理，每两块板之间均会产生一个等效电容，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与屏蔽板P5之间的电容为C₁₅，以此类推，五块板之间产生C₁₂~C₄₅共计10个等效电容。

图4是本发明另一个实施例中的一种电场式无线电能传输五板耦合器的等效方法（等效设计方法）的流程图，所述等效方法主要包括如下六个大步骤，下面结合图4~图10具体说明。

步骤1，考虑所有的耦合电容以及电路连接关系，得到五板耦合器的全电容等效模型。

如图5所示，五板式耦合器全电容等效模型共有5个节点，分别为P₁~P₅，其中，P₁~P₄需要与发射端电路、接收端电路相连，而P₅节点不直接与发射、接收端电路相连。V₁、V₂分别表示耦合器发射端和接收端的电压，I₁和I₂分别表示耦合器发射端和接收端的电流。因为五板耦合器的全电容等效模型较为复杂，元件数和节点数较多，不利于电场式无线电能传输系统谐振网络参数的设计，因此有必要对五板耦合器全电容等效模型进行简化。

步骤2，将发射端和接收端的自电容分别定义为C₁、C₂，发射端和接收端间的互电容定义为C_M，建立五板耦合器的二端口受控电流源等效模型。

如图6所示，为了简化耦合器模型，将全电容等效模型转化为二端口受控电流源等效模型，二端口受控电流源等效模型表示只有极板P₁~P₄与外部的电路相连，而屏蔽板P₅不与任何外部的电压源或电流源连接。

步骤3，列写二端口受控电流源等效模型KCL方程。

在二端口受控电流源等效模型中，端口电压和电流分别由V₁、V₂、I₁、I₂表示，发射端和接收端的自电容分别定义为C₁、C₂，互电容定义为C_M，由此可得式（1）：

式（1）

步骤4，求发射端的自电容C₁。

步骤41，令V₂=0，将全电容等效模型中V₂两端节点短接。

根据式（1），为求得自电容C₁，首先令V₂=0，可得式（2）：

式（2）

如图7所示，当V₂=0时，可以将耦合器的全电容等效模型中V₂两端节点短接，V₁在两个端口中分别产生电流I₁和I₂。

步骤42，将五节点全电容等效模型简化为四节点等效模型。

如图8所示，将P₃和P₄节点短接，因此模型中节点数由5个变为4个，将五节点全电容等效模型进一步转化精简为四节点等效简化模型，可以将10个电容等效简化为6个电容，分别是C₁₂、C₁₅、C₂₅、C_a、C_b和C_c，其中：

式（3）

步骤43，选定参考节点，列写4个节点的KCL方程。

在图8中，4个节点电压分别表示为V_P1、V_P2、V_P3和V_P5，并设定P₂为参考节点，列写KCL方程，可得式（4）：

式（4）

步骤44，求解各节点的电压。

对式（4）求解得到V_P3和V_P5的结果：

式（5）

其中，C_T1定义为：

式（6）

步骤45，得到自电容C₁的表达式。

联立式（2）~（6），可将发射端的自电容C₁求解表示为：

式（7）

步骤5，求互电容C_M。

步骤51，令V₂=0，将全电容等效模型中V₂两端节点短接。

根据式（1），为求得互电容C_M，首先令V₂=0，可得式（8）：

式（8）

步骤52，列写短接节点的KCL方程。

利用图7所示的模型进行计算，列写P₄节点的KCL方程如式（9）：

式（9）

步骤53，将步骤44中求得的各节点的电压带入短接节点KCL方程。

式（5）已经求得了节点电压V_P3和V_P5，直接将其带入式（9）。

步骤54，得到互电容C_M的表达式。

联立式（5）、式（8）和式（9），可将互电容C_M求解表示为：

式（10）

步骤6，求接收端的自电容C₂。

步骤61，令V₁=0，将全电容等效模型中V₁两端节点短接。

根据式（1），为求得自电容C₂，首先令V₁=0，可得式（11）：

式（11）

如图9所示，当V₁=0时，可以将耦合器的全电容等效模型中V₁两端节点短接，V₂在两个端口中分别产生电流I₁和I₂。

步骤62，将五节点全电容等效模型简化为四节点模型。

如图10所示，将P₁和P₂节点短接，因此模型中节点数由5个变为4个，将全电容等效模型进一步转化为简化模型，可以将10个电容等效转化为6个电容，分别是C₃₄、C₃₅、C₄₅、C_d、C_e和C_f，其中：

式（12）

步骤63，选定参考节点，列写4个节点的KCL方程。

图10中，4个节点电压分别表示为V_P1’、V_P3’、V_P4’和V_P5’，并设定P₄为参考节点，列写KCL方程，可得式（13）：

式（13）

步骤64，求解各节点电压。

对式（13）求解得到V_P1’和V_P5’的结果：

式（14）

其中，C_T2定义为：

式（15）

步骤65，得到自电容C₂的表达式。

联立式（11）~（15），可将发射端的自电容C₂求解表示为：

式（16）

图11~图14是本发明实施例的一些具体参数对比的曲线图，用以展示本发明所提出的五板耦合器的实际有益效果。

在一个实施例中，首先确定五板耦合器的尺寸，包括极板P1~P4的长宽和屏蔽板P5的长宽。具体尺寸参数如下：l₁=l₂=l₃=l₄=200mm，l_s1=l_s2=100mm，l_e3=l_e4=15mm，l_l5=l₃+l₄+l_s2+l_e3+l_e4=530mm，l_w5=l₃+2*l_e3=l₄+2*l_e4=230mm，极板P3、P4到屏蔽板P5的垂直距离为d_s=50mm，耦合器的发射端极板与接收端极板之间的距离为d=100 mm。选用FR4环氧板材料作为绝缘层，相对介电常数为4.4，绝缘层厚度为1 mm。

分别通过式（7）、式（10）和式（16）对本发明所提出的五板耦合器的自电容C₁、互电容C_M和自电容C₂进行求解，并与同尺寸的四板、六板耦合器进行对比。保持四板、五板和六板结构的极板的尺寸完全一致，极板传输距离保持一致；五板和六板结构的屏蔽板的尺寸完全一致，屏蔽板与极板间的距离保持一致。同时，每块板包覆的绝缘层材料和厚度完全一致。

图11展示了三种耦合器结构的等效互电容随传输距离变化的曲线，可以看出，随着传输距离的增大，四/五/六板结构的耦合器的等效互电容均显著减小，具有一致的变化趋势。在同样的传输距离下，五板结构的耦合器的互电容大于六板式耦合器结构的互电容，小于四板式耦合器结构的互电容。

图12展示了三种耦合器结构的等效自电容随传输距离变化的曲线。四板和六板式耦合器的一次侧和二次侧呈现对称性，因此一次侧和二次侧的自电容相等，而五板式耦合器的屏蔽板放置在二次侧，其二次侧与六板式耦合器相似，而一次侧与四板式耦合器相似，因此五板式耦合器两侧的自电容不相等，分别用C₁和C₂来表示。可以看出，随着传输距离的增大，四/五/六板结构的耦合器的等效自电容均显著减小，变化趋势较为一致。在同样的传输距离下，由于屏蔽板的作用，六板结构的耦合器的自电容显著大于四板式耦合器的自电容，而五板结构的一次侧的自电容C₁与四板结构的自电容基本相等，二次侧的自电容C₂与六板结构的自电容基本相等。

结合图11和图12，可以看出屏蔽板显著增大了同侧的等效自电容，而屏蔽板对互电容的影响较小。为进一步探究屏蔽板对耦合器等效电容的影响，保持传输距离为100 mm，改变屏蔽板与极板之间的距离，结果如图13和图14所示。

图13展示了五板和六板式耦合器的等效互电容随屏蔽板与极板距离变化的曲线。可以看出，当屏蔽板与极板的距离增加时，耦合器的等效互电容随之增加，但变化范围不大。五板结构由于屏蔽板比六板结构少一块，所以受屏蔽板的影响更小一些，其互电容值也略大于六板式耦合器。

图14展示了五板和六板式耦合器的等效自电容随屏蔽板与极板距离变化的曲线。可以看出，五板式耦合器一次侧的自电容C₁不受屏蔽板的影响，二次侧的自电容C₂与六板式耦合器的自电容基本相等，且具有相同的变化趋势，随屏蔽板到极板距离的增大而显著减小。

为了验证本发明所提出的电场式五板耦合器在接收端的屏蔽效果，使用Maxwell进行电场分布仿真。同时，将其与传统的四板和六板式耦合器结构进行对比，三种耦合器的板尺寸、传输距离、绝缘层厚度和材料等参数均保持一致，极板电压统一设置为6.5 kV，电场分布情况见图15~图17。

如图15所示，五板式耦合器在接收端的屏蔽效果较好，安全距离约为0.1 m，而发射端由于没有屏蔽板的存在，安全距离约为0.6 m。图16显示了六板式耦合器在接收端和发射端均具有较好的屏蔽效果，安全距离约为0.1 m。图17显示了四板式耦合器的电磁泄漏较高，安全距离约为0.6 m。

如前所述，在水下电场式无线电能传输的应用场景下，接收端对体积的要求较高，而发射端的空间较开阔，对体积的要求相对较低，因此需重点关注接收端的电场屏蔽效果。Maxwell电场分布结果表明，在五板式耦合器结构比六板式耦合器结构少一块屏蔽板的情况下，在接收端同样能够实现很好的电场屏蔽效果，具有较高的电磁安全性。

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。