一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电容式无线输电耦合器，包括均为平板结构的第一至第四极板以及均为柱状体单开口结构的第一和第二屏蔽体；第一和第三极板、第二和第四极板分别平行正对设置；第一和第二屏蔽体的底板平行正对设置且开口方向相对；第一、第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三、第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；第一、第二极板和第一屏蔽体构成耦合器的发射端；第三、第四极板和第二屏蔽体构成耦合器的接收端；几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。本发明专利技术通过屏蔽体开口相对的设置，使其相较传统的耦合器的电场泄露大幅减小，电场安全距离限制在耦合器尺寸内。内。内。

【技术实现步骤摘要】
一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法


[0001]本专利技术涉及无线输电
，更具体地，涉及一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]新能源汽车与船舶等全电移动平台迎来了新的发展机遇。无线电能传输技术已经连续两年被世界经济论坛（WEF）列为影响最大的十大新兴技术之一，其具有无线、无触点、安全智能等特点，很可能是推动整个电动车船产业的关键。
[0003]电容式无线电能传输（Capacitive Power Transfer, CPT）作为无线输电的重要技术方案，利用电场来传输电能，不会产生涡流损耗，与感应式无线电能传输相比具有一些优势。但在实际应用过程中，由于传输距离往往需要达到数十厘米，此时CPT系统的耦合电容大小只有pF级别，较难实现大功率的传输。现有CPT系统在安全性方面仍有的两个明显不足如下所述：（1）电场泄露问题：现有CPT系统的传输距离为0.1m左右，而电场安全距离可为0.1m左右，相当于电场分布在比传输距离还要大一倍左右的空间，如果应用在电动车船无线充电中，必然要覆盖车体/船体范围，对人身安全造成影响。
[0004]（2）高电压误触问题：现有CPT系统均是采用裸露的金属极板，不仅容易造成人体误触，而且没有防水防腐的功能，无法达到电动车/船无线充电的实用性要求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的电场泄露问题和高电压误触问题，本专利技术克服了现有技术的不足，提供了一种电容式无线输电耦合器、无线输电系统及其设计方法，其目的是保证低成本和高可靠性的前提下，使泄露电场安全距离进一步降低，并对极板进行绝缘设计，以达到防水防误触的要求。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种电容式无线输电耦合器，包括均为平板结构的第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，以及均为柱状体单开口结构的第一屏蔽体和第二屏蔽体；第一极板和第三极板平行正对设置，第二极板和第四极板平行正对设置；第一屏蔽体和第二屏蔽体的底板平行正对设置，且开口方向相对；第一极板和第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三极板和第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一屏蔽体和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；第一极板、第二极板和第一屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的发射端；第三极板、第四极板和第二屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的接收端；上述的几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。
[0007]进一步地，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为长方体单开口结构。
[0008]进一步地，第一极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第二极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等；第三极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第四极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等。
[0009]进一步地，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为尺寸相等的正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为尺寸相等的长方体单开口结构。
[0010]进一步地，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度被设置需满足的条件为：纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值。
[0011]进一步地，金属材质外包裹的绝缘材质的绝缘层的厚度被设置需满足的条件为：最高电场强度
÷
绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种无线输电系统，包括上述任一项所述的电容式无线输电耦合器以及逆变器、补偿网络和整流器；所述无线输电系统用于采用无线的方式进行输电。
[0013]进一步地，所述逆变器为全桥式逆变器，所述整流器为全桥式整流器，所述补偿网络为四线圈式补偿网络。
[0014]第三方面，本专利技术提供了一种电容式无线输电耦合器的设计方法，包括：基于无线输电系统的包括传输功率、传输距离、输入电压、输出电压和工作频率中的一种或多种指标的设计需求，对上述任一项所述的电容式无线输电耦合器的各部件的尺寸参数以及相对位置参数做初始化赋值；通过有限元仿真得到所述电容式无线输电耦合器的电场分布情况；若纵向电场安全距离大于预设的纵向电场安全距离阈值，则增加第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行有限元仿真；若纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值，则采用此时的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度，并继续进行下一步；若最高电场强度
÷
绝缘层的厚度＞绝缘材质的击穿场强，则增加绝缘层的厚度，并继续进行有限元仿真；若最高电场强度
÷
绝缘层的厚度≤绝缘材质的击穿场强，则采用此时的绝缘层的厚度。
[0015]第四方面，本专利技术提供了一种无线输电系统的设计方法，包括：在上述的电容式无线输电耦合器的设计方法中的第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度以及绝缘层的厚度确定的基础上，通过有限元仿真得到上述的四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值；基于四个极板和两个屏蔽体中的任意两者间的电容值，通过电容的串并联公式以获取电容式无线输电耦合器在所述无线输电系统中的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值；基于所述的第一等效电容值、第二等效电容值和第三等效电容值，获取所述无线输电系统的补偿网络的参数。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
（1）本专利技术通过屏蔽体开口相对的设置，使其相较传统的耦合器的电场泄露大幅减小，电场安全距离限制在耦合器尺寸内；且通过极板金属材料外包裹绝缘材料的夹层结构设计，提升了设备的防水防腐性能及使用的安全性。绝缘层的设计不仅防止了人体误触，更实现了耦合器的防水防腐，达到了电动车/船的实用性要求，同样适用于水下等复杂环境。
[0017]（2）本专利技术对绝缘材料的厚度、屏蔽体的边缘高度以及电场分布情况进行了综合分析和设计，使得绝缘层的设计厚度以及屏蔽体的边缘设计高度保证了绝缘层不会被击穿的同时兼顾了包括传输安全性的电能传输要求。
[0018]（3）设备的整体设计具有成本较低和可靠性较高的优点，更易于推广和应用。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0020]图1为本专利技术实施例提供的耦合器三维结构图；图2为本专利技术实施例提供的耦合器结构剖面图；图3为本专利技术实施例提供的耦合器各部件尺寸及摆放位置示意图；图4为本专利技术实施例提供的耦合器与无线输电系统电路连接的示意图；图5为本专利技术实施例提供的耦合器各部件间形成电容的示意图；图6为本专利技术实施例提供的耦合器中每块板状部件包覆绝缘材料示意及形成的等效电容示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容式无线输电耦合器，其特征在于，包括均为平板结构的第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，以及均为柱状体单开口结构的第一屏蔽体和第二屏蔽体；第一极板和第三极板平行正对设置，第二极板和第四极板平行正对设置；第一屏蔽体和第二屏蔽体的底板平行正对设置，且开口方向相对；第一极板和第二极板均与第一屏蔽体的开口面共面，第三极板和第四极板均与第二屏蔽体的开口面共面；第一屏蔽体和第二屏蔽体均用于对电场的屏蔽；第一极板、第二极板和第一屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的发射端；第三极板、第四极板和第二屏蔽体共同构成所述电容式无线输电耦合器的接收端；上述的几个极板和屏蔽体均为金属材质外包裹绝缘材质的夹层结构。2.如权利要求1所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为长方体单开口结构。3.如权利要求2所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，第一极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第二极板的正方形的三个边分别到相邻的第一屏蔽体的开口面的三个边的距离相等；第三极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等，第四极板的正方形的三个边分别到相邻的第二屏蔽体的开口面的三个边的距离相等。4.如权利要求3所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均为尺寸相等的正方形的平板结构，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体均为尺寸相等的长方体单开口结构。5.如权利要求4所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体的边缘高度被设置需满足的条件为：纵向电场安全距离不超过预设的纵向电场安全距离阈值。6.如权利要求5所述的电容式无线输电耦合器，其特征在于，金属材质外包裹的绝缘材质的绝缘层的厚度被设置需满足的条件为：最高电场强度
÷

【专利技术属性】
技术研发人员：荣恩国，孙盼，吴旭升，乔康恒，杨律，孙军，杨刚，张筱琛，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：