增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，其利用电容式无线电能传输系统的补偿电感来形成一个附加的感应耦合通道，在电路形式上可以看作是IPT系统和CPT系统的串联，并将电场耦合机构设置为层叠式以及将磁场耦合机构设计在电场耦合机构之间，成紧凑型混合耦合器，基于HWPT系统的建模，本发明专利技术还推导了与负载无关的恒流输出的参数设置。该系统不仅可在恒流频率时实现恒流输出，且输出电流是相同耦合系数下CPT系统的两倍。当耦合器未对准时，通过电感通道传输的功率的减少可以通过电容通道传输的电力的增量进行补偿，从而实现恒定的电流输出，具有良好的抗偏移效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]常见的无线电能传输技术有磁场耦合式(Inductive Power Transfer,IPT)和和电场耦合式(Contactless Power Transfer,CPT)。混合耦合式无线电能传输技术(Hybrid wireless power transfer，HWPT)是将IPT技术与CPT技术相结合，采用电场耦合和磁场耦合两种耦合方式。该技术在充分利用磁场耦合和电场耦合优势的同时又规避了这两种耦合方式的缺点。
[0003]目前对混合耦合式无线电能传输技术的研究尚少，缺乏一种能够增进电流输出且保持负载变化时输出电流恒定还能抗耦合机构偏移的混合耦合式无线电能传输系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供提高增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何增进混合式无线电能传输系统的电流输出且保持负载变化时输出电流恒定还能抗耦合机构偏移。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术提供增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，包含DC输入源、高频逆变器、双边LC补偿网络、层叠式混合耦合机构、整流滤波器和等效负载R
L
，所述层叠式混合耦合机构包括电场耦合机构和磁场耦合机构，所述电场耦合机构由底向上层叠设置有第一发射极板P1、第二发射极板P2、第四发射极板P4、第三发射极板P3，所述磁场耦合机构包括层叠设置在所述第二发射极板P2、第四发射极板P4之间的发射线圈L1和接收线圈L2，所述发射线圈L1与所述第一发射极板P1串联，所述接收线圈L2所述第三发射极板P3串联。
[0006]优选的，所述双边LC补偿网络包括原边LC补偿网络和副边LC补偿网络；
[0007]所述原边LC补偿网络包括所述发射线圈L1和原边补偿电容C
ex1
，所述原边补偿电容C
ex1
的一端连接所述发射线圈L1与所述第一发射极板P1的公共端，另一端连接所述高频逆变器的一输出端和所述第二发射极板P2；
[0008]所述副边LC补偿网络包括所述接收线圈L2和副边补偿电容C
ex2
，所述副边补偿电容C
ex2
的一端连接所述接收线圈L2与所述第三发射极板P3的公共端，另一端连接所述整流滤波器的一输入端和所述第四发射极板P4。
[0009]优选的，系统恒流输出的参数条件设置为：
[0010][0011]其中，容抗X
CM
＝1/jωC
M
，感抗X
L1
＝jωL1，容抗X
C1
＝1/jωC1，容抗X
C2
＝1/jωC2，等效电容C1＝C
ex1
+C
sc1
，等效电容C2＝C
ex2
+C
sc2
，C
sc1
为所述第一发射极板P1和所述第二发射极板P2的自容，C
sc2
为所述第三发射极板P3和所述第四发射极板 P4的自容，C
M
表示所述层叠式
混合耦合机构的互容，ω为系统的工作频率。
[0012]优选的，系统恒流频率ω
cc
设置为：
[0013][0014]ω0表示所述原边LC补偿网络的自谐振频率也即所述副边LC补偿网络的自谐振频率，k
c
表示所述电场耦合机构的耦合系数简称电场耦合系数。
[0015]优选的，将系统输出电流设定为目标值，则所述磁场耦合机构的耦合互感M 的设置需满足：
[0016][0017]k
c_mis
和M
mis
分别代表所述层叠式混合耦合机构在耦合偏移后的电场耦合系数和耦合互感。
[0018]优选的，所述电场耦合机构设置为对称结构，所述电场耦合机构的外侧极板P1、P3的尺寸大于内侧极板P2、P4的尺寸。
[0019]优选的，所述发射线圈L1和所述接收线圈L2均采用尺寸相同、内径为l3的 Q型线圈。
[0020]优选的，所述Q型线圈的外径大于内侧极板P2、P4的长以及宽。
[0021]优选的，外侧极板P1、P3采用边长为l1的方形极板；内侧极板P2、P4采用边长为l2的方形极板。
[0022]优选的，所述电场耦合机构同侧极板之间的间距设置为d1；所述层叠式混合耦合机构的同侧极板与线圈之间的间距设置为d2；所述层叠式混合耦合机构的传输距离设置为d。
[0023]本专利技术提供的一种增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，其利用电容式无线电能传输系统的补偿电感来形成一个附加的感应耦合通道，在电路形式上可以看作是IPT系统和CPT系统的串联，并将电场耦合机构设置为层叠式以及将磁场耦合机构设计在电场耦合机构之间，成紧凑型混合耦合器，基于HWPT系统的建模，本专利技术还推导了与负载无关的恒流输出的参数设置。该系统不仅可在恒流频率时实现恒流输出，且输出电流是相同耦合系数下 CPT系统的两倍。当耦合器未对准时，通过电感通道传输的功率的减少可以通过电容通道传输的电力的增量进行补偿，从而实现恒定的电流输出，具有良好的抗偏移效果。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例提供的增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统的架构图；
[0025]图2是本专利技术实施例提供的HWPT系统耦合机构的示意图；
[0026]图3是本专利技术实施例提供的HWPT系统等效电路图；
[0027]图4是本专利技术实施例提供的双侧LC补偿CPT系统和HWPT系统典型波形图对比图；
[0028]图5是本专利技术实施例提供的CPT系统和HWPT系统的频率特性图：(a)跨导增益(b)输
入阻抗角；
[0029]图6是本专利技术实施例提供的电场耦合机构的自电容(a)和互电容(b)随x 偏移的变化情况图；
[0030]图7是本专利技术实施例提供的耦合偏移下的耦合系数和耦合互感理论值示意图；
[0031]图8是本专利技术实施例提供的不同耦合偏移下电场(a)和磁场(b)分布的情况图；
[0032]图9是本专利技术实施例提供的HWPT系统在负载为(a)20欧姆和(b)40欧姆时的稳态输入输出仿真波形及(c)负载切换的动态仿真波形图；
[0033]图10是本专利技术实施例提供的HWPT系统在耦合偏移为(a)0mm和(b)100mm 的稳态仿真波形图；
[0034]图11是本专利技术实施例提供的HWPT系统在(a)RL＝20Ω和(b)RL＝40Ω时的实验波形图；
[0035]图12是本专利技术实施例提供的HWPT系统在(a)0mm偏移和(b)100mm偏移时的实验波形图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图具体阐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，其特征在于，包含DC输入源、高频逆变器、双边LC补偿网络、层叠式混合耦合机构、整流滤波器和等效负载R
L
，所述层叠式混合耦合机构包括电场耦合机构和磁场耦合机构，所述电场耦合机构由底向上层叠设置有第一发射极板P1、第二发射极板P2、第四发射极板P4、第三发射极板P3，所述磁场耦合机构包括层叠设置在所述第二发射极板P2、第四发射极板P4之间的发射线圈L1和接收线圈L2，所述发射线圈L1与所述第一发射极板P1串联，所述接收线圈L2所述第三发射极板P3串联。2.根据权利要求1所述的增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，其特征在于：所述双边LC补偿网络包括原边LC补偿网络和副边LC补偿网络；所述原边LC补偿网络包括所述发射线圈L1和原边补偿电容C
ex1
，所述原边补偿电容C
ex1
的一端连接所述发射线圈L1与所述第一发射极板P1的公共端，另一端连接所述高频逆变器的一输出端和所述第二发射极板P2；所述副边LC补偿网络包括所述接收线圈L2和副边补偿电容C
ex2
，所述副边补偿电容C
ex2
的一端连接所述接收线圈L2与所述第三发射极板P3的公共端，另一端连接所述整流滤波器的一输入端和所述第四发射极板P4。3.根据权利要求2所述的增进电流输出且输出电流恒定的混合式无线电能传输系统，其特征在于，系统恒流输出的参数条件设置为：其中，容抗X
CM
＝1/jωC
M
，感抗X
L1
＝jωL1，容抗X
C1
＝1/jωC1，容抗X
C2
＝1/jωC2，等效电容C1＝C
ex1
+C
sc1
，等效电容C2＝C
ex2
+C
sc2
，C
sc1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：卿晓东，李作进，吴学颖，宋乐鹏，胡文金，张元涛，陈清，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：