一种无线电能传输方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开一种无线电能传输方法及其系统，属于无线能量传输领域；高频全桥逆变电路，不需要在电容极板两端并联外接电容，从而形成了强耦合的电容耦合器结构，可以获得恒定电流输出。通过基于L型电路构造的补偿电路，将电容耦合器发射极板电压和接收极板电压之间的相位差设计为90°，无功功率将不会从电容耦合器的发射极板传递到接收极板。因此，电容耦合器发射极板和接收极板上的电压应力可以被最小化。与传统LCLC‑LCLC补偿的电场耦合式无线电能传输系统相比，本发明专利技术的电容耦合器不需要在发射极板和接收极板两端并联外接电容来降低补偿电路中的谐振电感大小，形成强耦合系统，且耦合器发射极板和接收极板所承受的电压应力最小。

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能传输方法及其系统
本公开属于无线能量传输领域，具体涉及一种无线电能传输方法及其系统。
技术介绍
无线电能传输方式逐渐成为替代传统电缆充电的方法，它具有了安全性，耐用性和灵活性的特点，补偿电路的设计对于改善电场耦合式无线电能传输系统(CapacitiveWirelessPowerTransfer,CPT)的性能至关重要。电场耦合式无线电能传输系统中的耦合器结构可以分为水平电容耦合器和垂直电容耦合器两种。传统LCLC-LCLC补偿的电场耦合式无线电能传输系统采用的是水平电容耦合器结构，然而水平电容耦合器结构中的自电容通常只有几十皮法，为了减小补偿电感，必须在电容耦合器的两端并联两个外接电容，这会增加系统的复杂程度并导致电容耦合器呈现松耦合的结构。为了减少谐振补偿电路元件的个数，有学者提出了具有垂直电容耦合器结构的LCL-LCL补偿拓扑的电容耦合式无线电能传输系统，通过让两块发射极板和两块接收极板距离分别靠近来增加电容耦合器的自电容，使得该结构不需要并联外部电容，然而，由于两块发射极板之间的距离和两块接收极板之间距离很近，两极板间的电场会很大，空气可能由于高电场的作用而容易击穿。在上述两种电场耦合式无线电能传输系统中，由于水平电容耦合器结构中外部电容器的存在或者垂直电容耦合器结构中自电容很大，它们的耦合系数很小，此外，由于补偿电感与整个电容耦合器谐振，会使得二次侧的阻抗不是纯阻性。因此，无功功率会从一次侧转移到二次侧，这将导致极板上存在更高的电压应力。因此，设计一种具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种无线电能传输方法及其系统，解决了现有无线电能传输系统中极板上存在更高的电压应力的问题。本公开的目的可以通过以下技术方案实现：所述一种无线电能传输方法及其系统包括：高频全桥逆变电路、包含电感Lf1电容Cf1和电感L1的原边LCL补偿电路、包含两块发射极板P1、P2和两块接收极板P3、P4的电容耦合器、包含电感L2电容Cf2和电感Lf2的副边LCL补偿电路、负载电阻RL，原边LCL补偿电路的左侧与高频全桥逆变电路相连，原边LCL补偿电路的右侧与电容耦合器的两块发射极板相连接，副边LCL补偿电路的左侧与电容耦合器的两块接收极板相连接，副边LCL补偿电路的右侧与负载电阻RL相连接。高频全桥逆变电路的输入电压为Vdc,高频全桥逆变电路输出电压为V1。电容耦合器的等效激励电流源模型包含发送极板侧的自电容C1，接收极板侧的自电容C2，发射极板侧的激励电流源IM1，接收极板侧的激励电流源IM2，其中，IM1＝-jω0CMVC2,IM2＝-jω0CMVC1,ω0为系统的谐振角频率，CM为电容耦合器的互电容，VC1和VC2分别为电容耦合器的发射极板侧的电压与接收极板侧的电压。所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的基本原则为:在电场耦合式无线电能传输系统中，从电容耦合器的发射极板侧传递到接收极板侧的视在功率S为：S＝P+jQ＝VC1·(-jω0CMVC2)*(1)因此，当电容耦合器的发射极板侧的电压VC1与电容耦合器接收极板侧的电压VC2之间的相位差是90°时，从电容耦合器的发射极板侧到接收极板侧传输的有功功率P最大，无功功率Q为0，且电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧的阻抗Zsec为：其中，ZCM为电容耦合器互电容的阻抗，可以看出，当电容耦合器接收极板侧的阻抗Zsec为纯阻性时，VC1与VC2之间的相位差为90°，因此，可以通过设计电场耦合式无线电能传输系统中的二次侧阻抗为纯阻性，来降低电容耦合器的电压应力。由于LC串并联谐振网络具有将恒压源转换为恒流源的特性，LC并串联谐振网络具有将恒流源转换为恒压源的性质，因此可以采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。所述一种无线电能传输方法及其系统参数设计的原理图包含6个模块，模块1为阻抗分别为jZ1和(-jZ1)的LC串并联谐振网络，模块2为jZ2和(-jZ2)的LC并串联谐振网络，模块3为阻抗分别为jZ3和(-jZ3)的LC串并联谐振网络，模块4为阻抗为(-jZ4)的电容，模块5为阻抗分别为jZ5和(-jZ5)的LC串并联谐振网络，模块6为阻抗为jZ6的电感，其中，Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,和Z6表示谐振分量电抗，并且均为正。电压V1经过模块1得到恒流输出Ia，然后经过模块2得到恒压输出Va，再经过模块3得到恒流输出IM1，然后由电容耦合器的激励电流源模型可得到恒压输出VC2,再经过模块5得到恒流输出IRL，其中，模块4为电容耦合器在接收极板侧的等效自电容，模块6的作用是为了实现电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性，jZ1等效于电感Lf1的阻抗。(-jZ1)和jZ2的并联电路等效于电容Cf1的阻抗。(-jZ2)和jZ3的串联电路等效于电感L1的阻抗。(-jZ3)和(-jZ4)分别等效于电容耦合器发射极板和接收极板侧的自电容C1和C2的阻抗。jZ5,(-jZ5),和jZ6分别等效于电感L2，电容Cf2和电感Lf2的阻抗。此时，补偿网络是LCL-LCL结构。电容耦合器接收极板侧的阻抗Zsec可以表示为：当满足时，电容耦合器接收极板侧的阻抗为纯阻性。Z6＝Z5(Z4-Z5)/Z4(4)将电容耦合器接收极板侧的阻抗折算到电容耦合器发射极板侧的反射阻抗Zr可以表示为：Zr＝VC1/IM1＝1/[(ω0CM)2Zsec](5)此时，输入阻抗Zin可以表示为：为了实现零输入相角，输入阻抗Zin应为纯阻性，需满足：Z1＝Z2(Z3-Z2)/Z3(7)为了让极板电压应力最小，电容耦合器发射极板侧的电压和接收极板侧的电压应该相等，需满足：V1/V2＝Z1Z3/(Z2Z5)(8)其中，V2为负载电阻的输出电压。系统输出功率PL可以表示为：PL＝ZCMZ2V1V2/Z1Z3Z5(9)当电容耦合器的尺寸、系统输入电压、输出电压和输出功率确定后，ZCM、Z3、Z4、V1、V2和PL是已知的，可以由式，，和得出Z1～Z6的值，从而补偿网络中元件的参数可以表示为：通过上述参数设计，实现了恒流输出，由于电容耦合器的发射极板和接收极板两端没有并联电容，因此电容耦合器为强耦合结构，且电容耦合器传递的无功功率为0，实现了耦合器发射极板和接收极板所受的电压应力最小的技术效果。本公开的有益效果：1)本专利技术的电容耦合器不需要在发射极板和接收极板两端并联外接电容来降低补偿电路中的谐振电感大小，且耦合器发射极板和接收极板所受的电压应力最小；2)提供具有恒流输出特性，实现具有低电压应力的强耦合电场耦合式无线电能传输系统的设计。附图说明为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线电能传输方法，其特征在于，所述电容耦合器为无需外置并联电容的强耦合容性能量传输结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输方法，其特征在于，所述电容耦合器为无需外置并联电容的强耦合容性能量传输结构。


2.一种无线电能传输系统，包括电容耦合器发射极板和接收极板，其特征在于，所述发射极板电压和接收极板电压之间的相位差设计为90°。


3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述系统采用LC串并联谐振网络和LC并串联谐振网络的组合来设计原边和副边的补偿拓扑。


4.根据权利要求2所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述电容耦合器的发射极板和接收极板两端没有并联电容。


5.根据权利要求2所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述系统包含高频全桥逆变电路、电感Lf1电容Cf1和电感L1的原边LCL补偿电路、包含两块发射极板P1、P2和两块接收极板P3、P4的电容耦合器、包含电感L2电容Cf2和电感Lf2的副边LCL补偿电路、负载电阻RL，原边LCL补偿电路的左侧与高频全桥逆变电路相连，原边LCL补偿电路的右侧与电容耦合器的两块发射极板相连接，副边LCL补偿电路的左侧与电容耦合器的两块接收极板相连接，副边LCL补偿电路的右侧与负载电阻RL相连接；高频全桥逆变电路的输入电压为Vdc,高频全桥逆变电路输出电压的基波分量为V1；电容耦合器的等效激励电流源模型包含发送极板侧的自电容C1，接收极板侧的自电容C2，发射极板侧的激励电流源IM1，接收极板侧的激励电流源IM2，其中，IM1＝-jω0CMVC2,IM2＝-jω0CMVC1,ω0为系统的谐振角频率，CM为电容耦合器的互电容。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晨闻，陈婷，花为，邓富金，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32