三极板式电场耦合无线电能传输系统及参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种三极板式电场耦合无线电能传输系统及参数设计方法，系统包括电能发射端和电能接收端，电能发射端包括直流电源、逆变器、发射端补偿拓扑电路和能量发射极板，电能接收端包括第一能量接收极板、第二能量接收极板、接收端补偿拓扑电路、整流器和负载设备；能量发射极板的面积大于第一能量接收极板和所述第二能量接收极板的面积之和，第一能量接收极板和第二能量接收极板相对能量发射极板设置，且可在能量发射极板相对的承载面上同步移动。其效果是：利用三块极板的自电容和互电容实现电能的无线传输，结构简单，成本低，空间占用小，特别适用于桌面设备移动式供电，灵活性强，系统参数不容易受到接线长短的影响，参数设计方便。数设计方便。数设计方便。

【技术实现步骤摘要】
三极板式电场耦合无线电能传输系统及参数设计方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输技术，具体涉及一种三极板式电场耦合无线电能传输系统及参数设计方法。

技术介绍

[0002]无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术通过磁场、电场、激光及微波等载体，实现电能的非电气接触传输。该技术可以有效地解决传统有线取电方式引起的设备灵活性受限和安全隐患等问题。目前，在电动汽车、消费电子产品、家用电器等应用领域，国内外的专家学者对该技术已展开了研究并获得了较多的理论成果。电场耦合无线电能传输(Electric
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field Coupled WirelessPower Transfer,EC
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WPT)技术以其具有耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低；对周围环境的电磁干扰小；可以穿越金属障碍传能；在耦合机构周围及其之间的金属导体上产生涡流损耗甚小等优势，得到国内外研究者的广泛关注，逐渐应用在移动设备、电动汽车、生物医药设备、水下设备等领域。但传统的 EC
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WPT系统需要通过两对极板组成耦合机构。两对耦合极板会严重制约该技术在二维平面移动设备的无线供电应用，尤其是动态无线供电中的便捷性。
[0003]单电容耦合无线电能传输(Single Capacitive Coupled Wireless PowerTransfer,SCC
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WPT)技术则是通过杂散电容、自电容或接地等方式与大地耦合以形成电气回路，从而只需通过一对极板即可实现电能的无线传输。由于该技术的特殊性，更适用于一个或多个用电设备在二维平面的静态和动态无线供电。相比于磁耦合无线电能传输系统的耦合机构，该技术的耦合机构只需很薄的金属极板即可，既降低了成本又可以减轻重量。
[0004]现有的电场耦合无线电能传输系统从耦合结构来看如图1所示，通常有两种情况，一种是通过采用两块金属极板作为无源电极以形成完整的电气连接回路，耦合机构由四块金属极板构成，如中国专利201210358473.X公开的一种基于电场耦合的无线电能传输系统，这种方式的应用场景具有一定的局限性，必须确保两对金属极板正对，设备移动灵活性较差。另外一种是用大地来代替两个无源电极，使其形成电气回路，耦合机构由两块金属极板构成，如中国专利202011542454.3公开的一种单电容耦合的无线电能传输装置，采用这样的结构，通常需要通过接收端的杂散电容形成回路，这种杂散电容的大小与接收端连线的长短有关，且会根据实际应用的需求而发生变化，因此系统参数设计相对困难。

技术实现思路

[0005]基于上述问题，本专利技术的首要目的在于提出一种三极板式电场耦合无线电能传输系统，通过在能量接收端多设一块极板来对无穷远处产生杂散电容，减小接收端接线长短对参数设计以及系统性能的影响。从而适用于二维平面的移动式供电。
[0006]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：
[0007]一种三极板式电场耦合无线电能传输系统，包括电能发射端和电能接收端，其关键在于，所述电能发射端包括直流电源、逆变器、发射端补偿拓扑电路和能量发射极板，所
述电能接收端包括第一能量接收极板、第二能量接收极板、接收端补偿拓扑电路、整流器和负载设备；所述能量发射极板的面积大于所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板的面积之和，所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板相对所述能量发射极板设置，且可在所述能量发射极板相对的承载面上同步移动。
[0008]可选地，所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板在同一个平面上并列固定设置。
[0009]可选地，所述发射端补偿拓扑电路的一个输出端与大地相连，将大地作为电能发射端的无源电极，另一个输出端与所述能量发射极板相连，并作为电能发射端的有源电极；所述第一能量接收极板作为电能接收端的有源电极，电能接收端的无源电极由所述第二能量接收极板代替。
[0010]可选地，在所述能量发射极板和所述第一能量接收极板之间以及所述能量发射极板和所述第二能量接收极板之间均设置有绝缘介质层。
[0011]可选地，所述绝缘介质层设置在所述能量发射极板的外表面。
[0012]可选地，所述绝缘介质层设置在所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板的外表面。
[0013]可选地，所述能量发射极板设置于桌面，所述电能接收端设置在显示器、笔记本电脑、鼠标或键盘上。
[0014]可选地，所述发射端补偿拓扑电路和所述接收端补偿拓扑电路均采用LC 串联补偿结构。
[0015]基于上述系统，本专利技术还提出一种三极板式电场耦合无线电能传输系统的参数设计方法，包括以下步骤：
[0016]S1：根据应用场景需求确定负载电阻、系统角频率、传输距离以及第一能量接收极板和第二能量接收极板的形状和尺寸；
[0017]S2：根据电能接收端的移动范围确定能量发射极板的形状和尺寸；
[0018]S3：设定绝缘介质层，通过在能量发射极板与第一能量接收极板之间增大绝缘介质占比，在能量发射极板与第二能量接收极板之间减小绝缘介质占比，使其耦合电容C
M
获得最大值；
[0019]S4：根据步骤S1至步骤S3所确定的形状、尺寸及绝缘介质层的参数，得出各个极板的互电容和自电容；
[0020]S5：基于互容系数构建系统导纳转移函数，并基于导纳函数的Bode图确定互容系数的初始约束范围；
[0021]S6：根据系统传输效率与互容系数的关系曲线确定互容系数k
c
的取值；
[0022]S7：按照以下等式确定发射端补偿拓扑电路和接收端补偿拓扑电路中的元件参数；
[0023][0024][0025]L1＝L2；
[0026][0027]其中，ω为系统角频率，C
M
为耦合电容，C
12
为能量发射极板与第一能量接收极板之间电容值；C
13
为能量发射极板与第二能量接收极板之间电容值； C
23
为第一能量接收极板与第二能量接收极板之间电容值；C
11
为能量发射极板的自电容值，C
22
为第一能量接收极板的自电容值，C
33
为第二能量接收极板的自电容值；L1为发射端补偿拓扑电路中的补偿电感值，C
ex1
为发射端补偿拓扑电路中的补偿电容值；L2为接收端补偿拓扑电路中的补偿电感值，C
ex2
为接收端补偿拓扑电路中的补偿电容值。
[0028]可选地，步骤S4中通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell得出各个极板的互电容和自电容。
[0029]本专利技术的效果是：
[0030]本专利技术提出的一种三极板式电场耦合无线电能传输系统及参数设计方法，利用三块极板的自电容和互电容实现电能的无线传输，系统结构简单，成本低，空间占用小，特别适用于二维平面设备的移动式供电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三极板式电场耦合无线电能传输系统，包括电能发射端和电能接收端，其特征在于，所述电能发射端包括直流电源、逆变器、发射端补偿拓扑电路和能量发射极板，所述电能接收端包括第一能量接收极板、第二能量接收极板、接收端补偿拓扑电路、整流器和负载设备；所述能量发射极板的面积大于所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板的面积之和，所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板相对所述能量发射极板设置，且可在所述能量发射极板相对的承载面上同步移动。2.根据权利要求1所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板在同一个平面上并列固定设置。3.根据权利要求1所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端补偿拓扑电路的一个输出端与大地相连，将大地作为电能发射端的无源电极，另一个输出端与所述能量发射极板相连，并作为电能发射端的有源电极；所述第一能量接收极板作为电能接收端的有源电极，电能接收端的无源电极由所述第二能量接收极板代替。4.根据权利要求3所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，在所述能量发射极板和所述第一能量接收极板之间以及所述能量发射极板和所述第二能量接收极板之间均设置有绝缘介质层。5.根据权利要求4所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述绝缘介质层设置在所述能量发射极板的外表面。6.根据权利要求4或5所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述绝缘介质层设置在所述第一能量接收极板和所述第二能量接收极板的外表面。7.根据权利要求1所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述能量发射极板设置于桌面，所述电能接收端设置在显示器、笔记本电脑、鼠标或键盘上。8.根据权利要求1或2或3或4或5或7所述的三极板式电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端补偿拓扑电路和所述接收端补偿拓扑电路均采用LC串联补偿结构。9.如权利要求8所述的三极板式电场...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，刘哲，胡宏晟，孙跃，唐春森，王智慧，戴欣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：