当前位置: 首页 > 专利查询>重庆大学专利>正文

层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法技术方案

技术编号:19066130 阅读:176 留言:0更新日期:2018-09-29 14:20
本发明专利技术提供了一种层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法,所述耦合机构的电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板,所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙,内侧极板为高压极板,外侧极板为低压极板。将该耦合机构应用在ECPT系统中并配合使用提出的系统参数设计方法,其效果是:在保证系统具有良好传输性能的同时,能够有效抑制系统耦合机构周围漏电场的大小。

【技术实现步骤摘要】
层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输技术,具体涉及一种层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WPT)技术是一种综合应用电力电子技术、电磁场理论、现代控制理论与技术等,通过软介质(如磁场、电场、微波、激光)以非电气接触模式实现电网或电池与用电设备之间电能传输的技术。目前,已有越来越多科研工作者投入到该技术的研究中,促进其在医疗器械、电动汽车、轨道交通、水下探测等诸多领域的运用。其中,电场耦合电能传输(Electric-fieldCoupledPowerTransfer,ECPT)技术以很薄的金属极板作为耦合机构,借助极板上高频电压激发出的电场实现能量的传输,其具有耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低;工作中绝大部分电通量分布于耦合机构中间,电磁干扰很小;不会在耦合机构周围及其之间的金属导体上产生涡流损耗;可以穿透金属传递电能等特点。由于具备这些独特优势,ECPT技术已逐渐受到国内外众多研究团队的青睐。目前,其研究重点主要集中于系统能量传输功率、效率、传输距离及能量信号同步传输等性能的提升。ECPT系统耦合机构极板需要高频高压激励才能有效地传输电能,所以系统一般需要通过谐振网络对输入电压进行数十倍的抬升。这就使得极板的端电压较大,尤其是在大功率应用场合,极板电压可能达到数千伏。过高的极板电压一方面会使得系统周围的金属导体产生静电感应电压,给周围生物体带来触电危险,另一方面高压极板所激发出的强电场对周围生物体也会产生不良影响。目前,针对ECPT系统电磁环境安全性问题所展开的研究相对较少。有学者围绕ECPT系统电磁环境安全性问题,将系统所处空间分为能量传输区域与安全区域,并通过控制相邻极板对的电压相位,有效减小了系统对外部的电场辐射。也有研究人员为抑制ECPT系统耦合机构周围漏电场,在平铺式耦合机构的上下侧添加两块大金属极板,以削弱漏电场强度。上述ECPT系统漏电场抑制方法虽能起到抑制漏电场的效果,却在一定程度上提高了系统的复杂度和控制难度,增加了系统成本。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺陷,本专利技术首先提出了一种层叠式耦合机构,通过对耦合机构的形状和接线方式进行改进,配合使用提出的系统参数设计方法,有效解决了ECPT系统耦合机构周围漏电场抑制问题。为了实现上述目的,本专利技术所采用的具体技术方案如下:一种层叠式耦合机构,用于无线电能传输,其关键在于:电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板,所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙,内侧极板为高压极板,外侧极板为低压极板。可选地,所述内侧极板为平面板,所述外侧极板的边缘单向设置有凸边,外侧极板通过所述凸边围成用于容置所述内侧极板的凹槽,且所述内侧极板的外表面与所述凸边的外端面在同一水平面上。可选地,所述外侧极板槽体底板的厚度与所述内侧极板的厚度相同。可选地,所述外侧极板与所述内侧极板的底面间距和侧面间距均相同。可选地,耦合机构在电能发射端和电能接收端成对称式结构。可选地,所述内侧极板和外侧极板的板面均为正方形。本专利技术还基于上述层叠式耦合机构搭建一种ECPT系统;作为一种可选方案,在电能发射端和电能接收端的耦合机构上采用对称式双侧LC补偿网络。通过对耦合机构极板电压的计算表达式进行推导,在对耦合机构外侧极板电压的主要影响因素进行分析的基础上,本专利技术还提出了上述ECPT系统的参数设计方法,主要包括以下步骤:S1:根据实际应用需求,确定Pre、RL、k及λ的大小,其中Pre为系统实际需求功率,RL为负载电阻值,k为功率裕量系数,λ为系统要求的功率因数;S2:按照确定能量发射端直流电源电压Edc;S3:根据实际需求确定耦合机构尺寸参数,利用仿真分析软件得到各个极板间的耦合电容值并计算出等效电容值;S4:根据漏电场抑制要求,通过仿真得到电能接收端外侧极板电压峰值的最大值Ump4max;S5:根据仿真所得系统工作频率与电能接收端外侧极板电压峰值的关系以及功率因素随电感及频率的变化关系来确定初始频率f和最大频率fmax;S6:在已知功率因数λ及频率f的情况下,计算出最小电感值LS1min,LS2min,并取其为电感初始值;S7:根据等效电路及谐振条件计算出补偿电容Cf1,Cf2大小;S8:计算电能接收端外侧极板电压大小,并判断其是否符合电压限制条件;S9:符合电能接收端外侧极板电压限制条件,则得到各系统参数并结束设计流程,不符合则优先提高f,当f达到最大值,电能接收端外侧极板电压峰值Ump4仍大于Ump4max,则提高电感值,并重新回到步骤S7;S10:给出确定的系统参数Edc,LS1,LS2,Cf1,Cf2,f0,其中LS1,Cf1为能量发射端LC补偿网络的电感值和电容值,LS2,Cf2为能量接收端LC补偿网络的电感值和电容值,f0为最终的系统工作频率。与现有技术相比,本申请提供的技术方案,具有的技术效果或优点是:基于本专利技术提出的层叠式耦合机构,配合系统参数设计方法,将其应用于ECPT系统中,不仅能够保证系统具有良好的传输性能,也能够有效抑制耦合机构周围漏电场大小。附图说明图1为本专利技术提出的层叠式耦合机构截面图;图2为本专利技术提出的层叠式耦合机构的电路模型图;图3为本专利技术提出的层叠式耦合机构的等效电路模型;图4为采用层叠式耦合机构的双侧LC补偿网络的ECPT系统;图5为图4的电路原理图;图6为图5的等效电路图;图7为不同模态下的电路拓扑图;图8为不同参数对电能接收端外侧极板电压峰值的影响效果图;图9为层叠式耦合机构的设计流程图;图10为功率因数随电感及频率变化情况;图11为系统参数设计流程图;图12为本专利技术提出的层叠式耦合机构周围漏电场分布图;图13为传统层叠式耦合机构截面图;图14为不同情形下耦合机构外侧极板电压峰值随直流输入电压变化情况;图15为传统层叠式耦合机构周围漏电场分布图。具体实施方式为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式,对上述技术方案进行详细的说明。如图1所示,一种层叠式耦合机构,用于无线电能传输,从图中可以看出,电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板,所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙,内侧极板为高压极板,外侧极板为低压极板。图1中,极板P1、P2构成系统电能发射端,极板P3、P4构成系统电能接收端。耦合机构电能发射端与电能接收端成对称式结构,其能量传输距离为d1,内侧极板及外侧极板中间厚度为d3,外侧极板边缘厚度为d4。极板P1-P2和极板P3-P4间距为d2。由于耦合机构各极板之间形成的等效电容大小主要与极板正对面积有关,受极板形状影响较小。因此,本实施例耦合机构均以正方形极板为例进行分析,并设极板P2、P3的边长为l1,极板P1、P4的边长为l3,凹槽边长为l2,凸边端面宽度为l4。图1所示新型层叠式耦合机构的改进之处在于外侧极板P1,P4成凹槽状结构,接电路的低压端;内侧极板P2,P3嵌于凹槽中,接电路的高压端,且内侧极板的外表面与外侧极板凸边的外端面在同一水平面上。这样做的好处是,在不影响系统传输距离的同时,有效增大了外侧极板构成的耦合电容大小,有利于能量的传输和漏电场的抑制。由本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种层叠式耦合机构,用于无线电能传输,其特征在于:电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板,所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙,内侧极板为高压极板,外侧极板为低压极板。

【技术特征摘要】
1.一种层叠式耦合机构,用于无线电能传输,其特征在于:电能发射端和电能接收端均包括一块内侧极板和一块外侧极板,所述内侧极板和所述外侧极板相互叠合并留有绝缘间隙,内侧极板为高压极板,外侧极板为低压极板。2.根据权利要求1所述的层叠式耦合机构,其特征在于:所述内侧极板为平面板,所述外侧极板的边缘单向设置有凸边,外侧极板通过所述凸边围成用于容置所述内侧极板的凹槽,且所述内侧极板的外表面与所述凸边的外端面在同一水平面上。3.根据权利要求2所述的层叠式耦合机构,其特征在于:所述外侧极板槽体底板的厚度与所述内侧极板的厚度相同。4.根据权利要求2所述的层叠式耦合机构,其特征在于:所述外侧极板与所述内侧极板的底面间距和侧面间距均相同。5.根据权利要求1所述的层叠式耦合机构,其特征在于:耦合机构在电能发射端和电能接收端成对称式结构。6.根据权利要求1所述的层叠式耦合机构,其特征在于:所述内侧极板和外侧极板的板面均为正方形。7.一种ECPT系统,其特征在于:采用权利要求1-6任一所述的层叠式耦合机构。8.根据权利要求7所述的ECPT系统,其特征在于:在电能发射端和电能接收端的耦合机构上采用对称式双侧LC补偿网络。9.如权利要求8所述ECPT系统的参数设计方法,其特征在于包括以下步骤:S1:根据实际应用需求,确定Pre、RL...

【专利技术属性】
技术研发人员:苏玉刚傅群锋王智慧叶兆虹戴欣孙跃唐春森
申请(专利权)人:重庆大学
类型:发明
国别省市:重庆,50

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1