CN116846099B - 一种电容式无线电能传输耦合器及其应用 - Google Patents

一种电容式无线电能传输耦合器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容式无线电能传输耦合器，包括：耦合器发射端，包括设置于同一平面内的两块极板和与所述极板平行间隔设置的屏蔽板、且所述极板与所述屏蔽板之间有填充电介质；耦合器接收端，与所述耦合器发射端的结构相同；所述耦合器发射端的所述极板所在一侧面向所述耦合器接收端的所述极板所在一侧，并且两者之间通过传输介质实现电能传输；其中，所述填充电介质的相对介电常数小于所述传输介质的相对介电常数。其可以解决现有的电容式耦合器通过增大屏蔽板与极板的距离来提升电容耦合系数导致耦合器体积增大，并且电容耦合系数提升有限，电能传输效率低下的问题。

Description

一种电容式无线电能传输耦合器及其应用
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种电容式无线电能传输耦合器和一种电容式无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术近年来得到飞速发展，因其不需连接触点，所以安全性高，防水效果好，便于实现智能化。作为无线电能传输的两种主流技术，电容式无线电能传输（Capacitive Power Transfer, CPT）和感应式无线电能传输（Inductive PowerTransfer, IPT）都已经在水下充电场景中得到了应用。其中，IPT耦合器一般由线圈、磁芯、屏蔽层等构成，而CPT耦合器一般只需要金属板和绝缘层。因此CPT耦合器具有更低的成本和重量，可靠性也更高。
为了实现大功率的电容式无线电能传输，以满足电动车、船的快速充电需要，国内外研究人员提出了各种高阶补偿网络，将耦合器极板之间的电压提升至kV级别，从而实现大功率传输。然而，高电压带来强电场辐射，需要有效地对电场进行屏蔽才能保证其安全性。常用的方法是在耦合器极板外侧加入屏蔽板，将传统的四板式结构变为六板式结构，电场便被限制在屏蔽板之间。
然而，六板式结构显著增大了耦合器的等效自电容，造成了耦合器的电容耦合系数降低，从而降低了无线电能传输的效率。为了提升电容耦合系数，必须将屏蔽板与功率传输板距离增大，但这样耦合器的体积也随之增大，而且电容耦合系数提升也有限，造成大功率无线充电时效率较低。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种电容式无线电能传输耦合器及其应用，旨在解决现有的电容式耦合器通过增大屏蔽板与极板的距离来提升电容耦合系数导致耦合器体积增大，并且电容耦合系数提升有限，电能传输效率低下的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种电容式无线电能传输耦合器，包括：耦合器发射端，包括设置于同一平面内的两块极板和与所述极板平行间隔设置的屏蔽板、且所述极板与所述屏蔽板之间设置有填充电介质；耦合器接收端，与所述耦合器发射端的结构相同；所述耦合器发射端的所述极板所在一侧面向所述耦合器接收端的所述极板所在一侧，并且两者之间通过传输介质实现电能传输；其中，所述填充电介质的相对介电常数小于所述传输介质的相对介电常数。
在本发明的一个实施例中，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端还包括：绝缘腔体，用于包裹对应的所述极板、所述屏蔽板以及所述极板和所述屏蔽板之间的所述填充电介质。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘腔体为六片厚度相同的绝缘板拼接成空心长方体结构。
在本发明的一个实施例中，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述极板与对应的所述绝缘腔体的一侧内壁紧贴，所述屏蔽板与对应的所述绝缘腔体的另一侧内壁紧贴。
在本发明的一个实施例中，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述极板的形状和面积相同、且相互正对设置。
在本发明的一个实施例中，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述屏蔽板的面积覆盖对应的所述极板的面积。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种电容式无线电能传输系统，其包括：上述任意一个实施例所述的电容式无线电能传输耦合器；发射端电路，包括：电源、逆变器和补偿网络；所述电源的输出端连接所述逆变器的输入端，所述逆变器的输出端通过所述补偿网络连接所述耦合器发射端的极板；接收端电路，包括：补偿网络和整流器；所述耦合器接收端的极板通过所述补偿网络连接所述整流器。
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，至少能够取得下列有益效果：
1）有别于传统电容耦合器中所有电容电介质均相同的特点，本发明实施例提出了混合介质电容的概念，通过在耦合器同侧极板与屏蔽板之间填充比传输介质相对介电常数低的绝缘材料，使得同侧极板与屏蔽板之间形成的电容值减小，从而减小了等效自电容，进而增大了耦合器的电容耦合系数，有益于耦合器的效率提升；
2）本发明实施例实现增大电容耦合系数的方法是通过混合介质技术，而不是增大极板与屏蔽板之间的距离，因此在同等耦合系数水平下耦合器的体积更小，更利于在电动车或电动船舶上的安装；
3）本发明实施例提出的耦合器具有很好的电场屏蔽效果，同时，由于耦合器被绝缘层包覆，因此可以实现防水、防腐蚀、防触电、防漏电的特点，达到了电动车/船的实用性要求，同样也适用于水下等复杂环境。
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为本发明实施例提出的电容式无线电能传输耦合器的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提出的电容式无线电能传输耦合器的结构剖面图；
图3为本发明实施例提供的电容式无线电能传输耦合器的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电容式无线电能传输系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电容式无线电能传输耦合器各板间形成电容的示意图；
图6为本发明实施例提供的电容式无线电能传输系统的等效电路图；
图7为本发明实施例提供的电容式无线电能传输系统的逆变器输出电压、电流波形图；
图8为本发明实施例提供的电容式无线电能传输系统中耦合电容前、后端电压波形图；
图9为本发明实施例提供的电容式无线电能传输耦合器与传统耦合器的电能传输效率对比图；
图10为本发明实施例提供的电容式无线电能传输耦合器的有限元仿真电场分布图。
附图标记说明
P1、P2、P3、P4：极板；P5、P6：屏蔽板；E1、E2：填充电介质；I1、I2：绝缘腔体；Vin：电压源；Vout：恒压负载；S1、S2、S3、S4：逆变器开关管；D1、D2、D3、D4：整流器开关管；L1、L2、L3、L4：补偿电感；Cf1、Cf2：补偿电容；Cp1、Cp2：等效自电容；CM：等效互电容。
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。
本发明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。
如图1和图2所示，本发明第一实施例提出一种电容式无线电能传输耦合器，例如包括：极板P1、极板P2、极板P3、极板P4、屏蔽板P5、屏蔽板P6、填充电介质E1、填充电介质E2。其中，极板P1、极板P2、屏蔽板P5、填充电介质E1共同构成了耦合器发射端，极板P3、极板P4、屏蔽板P6、填充电介质E2共同构成了耦合器接收端。耦合器发射端与耦合器接收端之间通过传输介质实现电能传输。
具体的，极板P1、极板P2位于同一平面，并与屏蔽板P5平行间隔设置，填充电介质E1设置在极板P1与极板P2之间；极板P3、极板P4位于同一平面，并与屏蔽板P6平行间隔设置，填充电介质E2设置在极板P3与极板P4之间。极板P1、极板P2、极板P3、极板P4、屏蔽板P5、屏蔽板P6均为金属材料。填充电介质E1和填充电介质E2均为绝缘材料，并且该填充电介质的相对介电常数小于传输介质的相对介电常数。
在一个实施方式中，耦合器发射端还包括绝缘腔体I1，耦合器接收端还包括绝缘腔体I2，绝缘腔体I1和绝缘腔体I2均为绝缘材料，例如是由六片厚度完全相同的绝缘板拼接而成的空心长方体结构，作用是完全包裹住对应的耦合器发射端或耦合器接收端的极板、屏蔽板、填充电介质。
如图3所示，在一个实施方式中，优选的，极板P1、P2、P3和P4均为正方形的平板结构，极板P1的尺寸为l1* l1，极板P2的尺寸为l2*l2，极板P3的尺寸为l3*l3，极板P4的尺寸为l4*l4。优选的，屏蔽板P5和P6均为长方形的平板结构，屏蔽板P5的尺寸为ll1*lw1，屏蔽板P6的尺寸为ll2*lw2。
优选的，极板P1和极板P2到屏蔽板P5之间全部为填充电介质E1，传输电介质为淡水（相对介电常数为81），填充电介质E1选择空气（相对介电常数为1），满足了填充材料的相对介电常数小于传输介质的相对介电常数。同时极板P3和极板P4到屏蔽板P6之间全部为填充电介质E2，同样选择空气。优选的，绝缘腔体I1和绝缘腔体I2均由6片厚度完全相同的环氧板材料绝缘板拼接而成，环氧板厚度为1mm。
对于耦合器发射端，极板P1和P2保持水平对齐，并与绝缘腔体I1的一个面紧贴，两板间的水平距离为ls1，屏蔽板P5与极板P1、P2所在的平面保持平行，并与绝缘腔体I1的另一个面紧贴。极板P1到屏蔽体P5的边缘的水平距离为le1，极板P2到屏蔽体P5的边缘的水平距离为le2，显然的，ll1=l1+l2+ls1+le1+le2，lw1=l1+2*le1=l2+2*le2。屏蔽板P5与极板P1、P2的垂直距离为d1。屏蔽板P5与极板P1、P2所在的平面之间为填充电介质E1。
对于耦合器接收端，极板P3和P4保持水平对齐，并与绝缘腔体I2的一个面紧贴，两板间的水平距离为ls2。屏蔽板P6与极板P3、P4所在的平面保持平行，并与绝缘腔体I2的另一个面紧贴。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le3，极板P4到屏蔽体P6的边缘的水平距离为le4，显然的，ll2=l3+l4+ls2+le3+le4，lw2=l3+2*le3=l4+2*le4。极板P3、P4到屏蔽体P6的垂直距离为d2。屏蔽板P6与极板P3、P4所在的平面之间为填充电介质E2。
在一个实施方式中，耦合器发射端的极板P1和P2与耦合器接收端的极板P3和P4的形状和面积相同。在无线电能传输过程中，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，屏蔽板P5与屏蔽板P6也保持正对。耦合器发射端到耦合器接收端的传输距离为d。优选的，耦合器发射端的屏蔽板P5的面积覆盖极板P1和P2的面积，耦合器接收端的屏蔽板P6的面积覆盖极板P3和P4的面积。
如图4所示，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、P6不接电，为零电位状态。根据电容产生的机理，每两块板之间均产生一个电容，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与屏蔽板P5之间的电容为C15，以此类推，六块板之间产生C12-C56共15个电容。
如图6所示，根据这15个电容的串并联关系，可以将其等效为电路中的3个电容，分别是2个自电容Cp1、Cp2和1个互电容CM。进一步地，为了计算等效自电容和互电容值的面积，耦合器具体尺寸参数赋值如下：
l1=l2=l3=l4=200mm，ls1=ls2=100mm，le1=le2=20mm，ll1=l1+l2+ls1+le1+le2=540mm，lw1=l1+2*le1=l2+2*le2=240mm。极板P1、P2到屏蔽板P5的垂直距离为d1=10 mm。极板P3、P4到屏蔽板P6的垂直距离为d2=10mm。传输距离d=100mm。
填充电介质E1和填充电介质E2均为空气，其相对介电常数为1，传输介质为淡水，其相对介电常数为81。满足了填充材料的相对介电常数小于传输介质的相对介电常数。绝缘腔体I1和绝缘腔体I2的材料为环氧板，其相对介电常数为4.4。
通过有限元仿真得到任意两板间的15个电容的电容值C12-C56。C12=20.489pF，C13=159.33pF，C14=19.299pF，C15=141.83pF，C16=81.012pF，C23=19.28pF，C24=159.57pF，C25=141.8pF，C26=80.995pF，C34=20.414pF，C35=80.788pF，C36=141.83pF，C45=80.936pF，C46=142.03pF，C56=337.9pF。
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CM、Cp1、Cp2，计算公式如下：
；
；
。
计算得到等效电容值Cp1=221.27pF，Cp2=221.27pF，CM=70.08pF。
根据等效电容值计算得到电容耦合系数，计算公式如下：
。
计算得到电容耦合系数为k=0.316。
本实施例选用四线圈式补偿网络，根据耦合器等效电容值Cp1、Cp2、CM计算无线输电系统其它补偿网络的参数，Cf1=Cf2=1.5nF，L1=L4=16.7uH，L2=L3=127.3uH。
使用Ltspice仿真软件对系统进行仿真，设置Cf1、Cf2、L1-L4的品质因数均设置为500，Cp1、Cp2、CM的品质因数均设置为1000，逆变器频率设置为1MHz。如图7所示，逆变器输出电压为矩形波，输出电流为正弦波，从电压电流相位来看，逆变器开关管实现了ZVS软开关。如图8所示，耦合电容前后电压均为正弦波，幅值相等，相位相差约56度。如图9所示，调节输出功率得到全功率范围的效率曲线，峰值效率为96.7%。图10展示了耦合器在Maxwell有限元仿真电场分布图，可以看到，强电场被限制在两侧的屏蔽板之间，实现了很好的屏蔽效果。
为了更好的展示本实施例提供的电容式无线电能传输耦合器在电容耦合系数和传输效率上的优势，将其与传统耦合器进行对比，传统耦合器中填充电介质E1与填充电介质E2全部设置为与传输介质相同，例如都为淡水，相对介电常数均为81。
通过有限元仿真得到任意两板间的15个电容的电容值C12-C56。C12=11.389pF，C13=143.48pF，C14=10.441pF，C15=873.81pF，C16=106.76pF，C23=10.441pF，C24=143.46pF，C25=873.74pF，C26=106.78pF，C34=11.39pF，C35=106.79pF，C36=873.66pF，C45=106.76pF，C46=873.83pF，C56=477.62pF。基于以上的15个电容计算得到等效电容值Cp1=578.6pF，Cp2=578.6pF，CM=66.515pF。根据等效电容值计算得到电容耦合系数为k=0.115。可见其耦合系数明显小于本实施例提供的电容式无线电能传输耦合器的耦合系数。
同样选用四线圈式补偿网络，根据耦合器等效电容值Cp1、Cp2、CM计算无线输电系统其它补偿网络的参数，Cf1=Cf2=4.2nF，L1=L4=6uH，L2=L3=44.4uH。使用Ltspice仿真软件对系统进行仿真，设置Cf1、Cf2、L1-L4的品质因数均为500，Cp1、Cp2、CM的品质因数均为1000，逆变器频率设置为1MHz，与本实施例提供的电容式无线电能传输耦合器的仿真保持一致。如图9所示，调节输出功率得到全功率范围的效率曲线，峰值效率为93.8%，在全功率范围内传输效率都低于本实施例提供的电容式无线电能传输耦合器。
由此可见，在耦合器尺寸、补偿网络类型、器件品质因数、逆变器频率、传输距离等条件全都相同的情况下，本实施例提供的一种电容式无线输电耦合器相比传统电容式耦合器，电容耦合系数得到显著提升，进而大幅度提升了系统的传输效率。
综上所述，本发明第一实施例提出的电容式无线电能传输耦合器，通过在电容耦合器同侧极板与屏蔽板之间填充比传输介质相对介电常数低的绝缘材料，使得同侧极板与屏蔽板之间形成的电容值减小，从而减小了等效自电容，进而增大了耦合器的电容耦合系数，有益于耦合器的效率提升；通过混合介质技术实现增大电容耦合系数而不是增大极板与屏蔽板之间的距离，在同等耦合系数水平下耦合器的体积更小，更利于在电动车或电动船舶上的安装；耦合器被绝缘层包覆，具有很好的电场屏蔽效果，并且可以实现防水、防腐蚀、防触电、防漏电的特点，达到了电动车/船的实用性要求，同样也适用于水下等复杂环境。
值得一提的是，第一实施例提出的电容式无线电能传输耦合器对极板和屏蔽板的形状不做限定，只要符合本发明实施例中各板之间的相对位置关系，都应包含在本发明的保护范围之内。对填充电介质的具体材料也不做限定，其可以是固体、液体、气体任何状态，只要其相对介电常数小于传输介质的相对介电常数，都应包含在本发明的保护范围之内。
另外，本发明第二实施例提出一种电容式无线电能传输系统，参考图4所示，例如包括：如第一实施例中所述的电容式无线电能传输耦合器、发射端电路和接收端电路。
其中，发射端电路包括电源、逆变器和补偿网络，电源的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端通过补偿网络连接耦合器发射端的极板。接收端电路包括补偿网络和整流器，耦合器接收端的极板通过补偿网络连接整流器。
具体的电容式无线电能传输耦合器的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的内容，在此不再详细讲述，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同，为了简洁，不在此赘述。
需要说明的是，本发明实施例提出的电容式无线电能传输耦合器作为电容式无线电能传输系统中的一个组件，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。第二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 (8)

1.一种电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，包括：
耦合器发射端，包括设置于同一平面内的两块极板和与所述极板平行间隔设置的屏蔽板、且所述极板与所述屏蔽板之间设置有填充电介质；
耦合器接收端，与所述耦合器发射端的结构相同；
所述耦合器发射端的所述极板所在一侧面向所述耦合器接收端的所述极板所在一侧，并且两者之间通过传输介质实现电能传输；其中，所述填充电介质的相对介电常数小于所述传输介质的相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端还包括：绝缘腔体，用于包裹对应的所述极板、所述屏蔽板以及所述极板和所述屏蔽板之间的所述填充电介质。
3.根据权利要求2所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述绝缘腔体为由六片厚度相同的绝缘板拼接成空心长方体结构。
4.根据权利要求2或3所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述极板与对应的所述绝缘腔体的一侧内壁紧贴，所述屏蔽板与对应的所述绝缘腔体的另一侧内壁紧贴。
5.根据权利要求1所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述极板的形状和面积相同、且相互正对设置。
6.根据权利要求1所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述耦合器发射端和所述耦合器接收端的所述屏蔽板的面积覆盖对应的所述极板的面积。
7.根据权利要求1所述的电容式无线电能传输耦合器，其特征在于，所述填充电介质为空气，所述传输介质为水。
8.一种电容式无线电能传输系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-7中任意一项所述的电容式无线电能传输耦合器；
发射端电路，包括：电源、逆变器和补偿网络；所述电源的输出端连接所述逆变器的输入端，所述逆变器的输出端通过所述补偿网络连接所述耦合器发射端的极板；
接收端电路，包括：补偿网络和整流器；所述耦合器接收端的极板通过所述补偿网络连接所述整流器。
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