【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线电能传输，具体涉及基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统及方法。
技术介绍
1、相较于传统的电能传输，无线电能传输（wireless power transfer, wpt）技术采用无线的方式进行能量的供给，不需要物理连接，既避免了线路老化、损坏等一系列问题，延长了设备的使用寿命，同时又提高了安全性，消除了电线暴露的风险，降低了触电的危险，特别适用于一些高风险环境（如医疗设备、电动工具等），同时无线充电设备和接收端不需要直接接触，可以设计成密封的结构，适用于对防水、防尘要求较高的场合（例如电动汽车、户外设备等）。
2、近场的无线电能传输技术主要可以分为磁场（电感）耦合式（inductive powertransfer, ipt）和电场（电容）耦合式（capacitive power transfer, cpt）两种类型，也是wpt技术的两种主流，在无线电能传输领域中应用较为广泛。同时，这两种近场wpt技术具有对偶的性质，在许多方面有着共通之处。
3、电感耦合装置为了减小交流电流的趋肤效应使用大量的利兹线，为了增加电感耦合机构的耦合能力在线圈中增加高频铁氧体，这导致电感耦合机构制造成本较高，磁芯损耗较大，机构体积重量较大，并且高频磁场会在磁场中的金属异物中产生涡流损耗，导致传输效率下降，甚至使得金属物体发热、产生电火花，在一定条件下产生危险。耦合机构泄漏磁场不仅对环境产生电磁干扰影响其他电子产品工作还会对人体和动植物造成一定的危害，大功率的传输机构还需要设计专用的铝板来作为磁场屏蔽结构
4、20世纪末美国电气工程师保罗·库里率先提出了一种使用高频电场作为能量传输渠道的无线电能传输方法。但在当时由于缺乏相关支撑理论和技术上的限制，电场耦合式无线电能传输技术相比磁场耦合式无线电能传输技术发展较为缓慢。21世纪以来，随着大功率高频开关器件、高频特性优良的电容、磁芯等硬件和电磁场数值分析理论、高性能计算机和仿真软件的出现为cpt技术的进一步研究提供了支撑。cpt系统相比于ipt系统，耦合机构采用更加便宜的金属极板，在当金属异物存在于耦合极板间的电场中时，不会在其中引起涡流损耗，并且极板边缘电场衰减快辐射范围较小。金属极板相比磁耦合机构的利兹线圈和铁氧体结构简单，造价低廉，体积和重量大幅减少。更适用于应用在动态充电、电动汽车充电等方面。因此，近年来电场耦合式无线电能传输技术成为无线电能传输方式的主要研究方向之一。
5、然而，cpt系统同样存在着一些缺点，具体表现为：1）系统传输功率、效率的鲁棒性较差，易受距离及耦合机构角度变化影响；2）系统在强耦合下会产生频率分裂现象，造成传输功率的下降。基于宇称时间对称的无线能量传输系统（parity time symmetry wirelesspower transfer, pts-wpt）拥有很强的鲁棒性，且系统具有频率自适应的特性，具体来说就是当耦合达到一定强度，系统发生频率分裂时，pts-wpt系统会自适应的跟踪调节到分裂后的频率，避免了频率分裂现象的发生从而一直保持较高的传输功率。pts-wpt的特性使其可以很好地解决传统wpt存在的两大问题，pts-wpt也成为近年来无线能量传输领域的研究热点。随着pts-wpt系统研究的不断完善，对于两种主流传输方式的深入研究以及更高阶的pt对称系统的拓展研究也已展开。
6、然而，尽管pts-wpt系统具有优秀的传输特性，但是常用的自激振荡的pt对称系统在pt对称区会自动跟踪至分裂后的频率，虽然避免了频率分裂带来的输出效率、功率下降问题，却导致了其工作频率的不稳定。这样的结果在一些商业应用或者是特殊应用场合是难以接受的，比如对于无线充电的qi标准频段（110-205khz区间）抑或是nfc设备和rfid技术频段（13.56mhz附近），当变化的工作频率过大，使得系统无法满足要求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统及方法。
2、第一方面，本专利技术提供了基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其包括发射器和接收器；所述的接收器包括电容极板p3、电容极板p4以及与电容极板p3和电容极板p4连接的接收端谐振器；所述的发射器包括电容极板p1、电容极板p2以及与电容极板p3和电容极板p4连接的发射端谐振器；所述的发射器还包括频率失谐控制器；所述频率失谐控制器并联在发射端谐振器上；所述频率失谐控制器包括电感ld和开关s1；通过开关s1的闭合和断开使得无线电能传输系统在发射器和接收器的谐振频率之间失谐，完成无线电能传输系统从低频分支到高频分支的切换。
3、作为优选，在系统工作在低频分支时，通过闭合开关s1后重新断开，控制系统工作在高频分支。
4、作为优选，所述电容极板p1和电容极板p2之间的耦合电容c12，与电容极板p3和电容极板p4之间的耦合电容c34相等；电容极板p1和电容极板p3之间的耦合电容c13，与电容极板p2和电容极板p4之间的耦合电容c24相等。
5、作为优选，所述发射端谐振器和所述接收端谐振器的固有频率ω0相等，谐振频率ω'0相等。
6、作为优选，低频分支和高频分支的工作频率分别为ω2和ω3，其获取方式如下：
7、
8、其中，ω0为固有频率；k为发送器和接收器之间的耦合系数；γl为接收器的损耗系数。
9、作为优选，所述的接收端谐振器包括补偿电感lr、补偿电容cre和负载电阻rl；电容极板p3和电容极板p4分别连接在补偿电容cre的两端；所述的发射端谐振器包括依次串联的补偿电感lt、补偿电容cte和负电阻-rt；电容极板p1和电容极板p2分别连接在补偿电容cte的两端；依次连接的电感ld和开关s1并联在补偿电感lt两端。
10、作为优选，所述的电容极板p1和电容极板p3正对放置，电容极板p2和电容极板p4正对放置，且处于正对位置上的两个电容极板完全重合。
11、第二方面，本专利技术提供了基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输方法，其使用上述的无线电能传输系统；该无线电能传输方法包括以下步骤：调节发射器和接收器使无线电能传输系统工作在宇称时间对称状态；初始状态下，频率失谐控制器中的开关s1处于断开状态；若系统工作在高频分支，则直接进行无线电能传输；反之，则闭合开关s1，待系统的振荡稳定后断开开关s1，使系统工作在高频分支后进行无线电能传输。
12、作为优选，工作在宇称时间对称状态的条件如下：
13、发送器的增益系数γt等于接收器的损耗系数γl；发送器和接收器之间的耦合系数k大于临界耦合系数kc，临界耦合系数kc的表达式为：
14、。
15、作为优选，判断系统是否工作在高频分支的方法如下；若工作频率ω小于谐振频率ω'0或发射器相位滞后接收器相位，则系统工作在低频分支；反之，则系统工作在高频分支。
16、本专利技术具有的有益效果是：
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【技术保护点】
1.基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，包括发射器和接收器；所述的接收器包括电容极板P3、电容极板P4以及与电容极板P3和电容极板P4连接的接收端谐振器；所述的发射器包括电容极板P1、电容极板P2以及与电容极板P3和电容极板P4连接的发射端谐振器；其特征在于：所述的发射器还包括频率失谐控制器；所述频率失谐控制器并联在发射端谐振器上；所述频率失谐控制器包括电感LD和开关S1；通过开关S1的闭合和断开使得无线电能传输系统在发射器和接收器的谐振频率之间失谐，完成无线电能传输系统从低频分支到高频分支的切换。
2.根据权利要求1所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：在系统工作在低频分支时，通过闭合开关S1后重新断开，控制系统工作在高频分支。
3.根据权利要求1所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述电容极板P1和电容极板P2之间的耦合电容C12，与电容极板P3和电容极板P4之间的耦合电容C34相等；电容极板P1和电容极板P3之间的耦合电容C13，与电容极板P2和电容极板P4之间的耦合电容C24相等。
<...【技术特征摘要】
1.基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，包括发射器和接收器；所述的接收器包括电容极板p3、电容极板p4以及与电容极板p3和电容极板p4连接的接收端谐振器；所述的发射器包括电容极板p1、电容极板p2以及与电容极板p3和电容极板p4连接的发射端谐振器；其特征在于：所述的发射器还包括频率失谐控制器；所述频率失谐控制器并联在发射端谐振器上；所述频率失谐控制器包括电感ld和开关s1；通过开关s1的闭合和断开使得无线电能传输系统在发射器和接收器的谐振频率之间失谐，完成无线电能传输系统从低频分支到高频分支的切换。
2.根据权利要求1所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：在系统工作在低频分支时，通过闭合开关s1后重新断开，控制系统工作在高频分支。
3.根据权利要求1所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述电容极板p1和电容极板p2之间的耦合电容c12，与电容极板p3和电容极板p4之间的耦合电容c34相等；电容极板p1和电容极板p3之间的耦合电容c13，与电容极板p2和电容极板p4之间的耦合电容c24相等。
4.根据权利要求3所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述发射端谐振器和所述接收端谐振器的固有频率ω0相等，谐振频率ω'0相等。
5.根据权利要求1所述的基于稳定工作频率的电容耦合无线电能传输系统，其特征在于：低频分支和高频分支的工作频率分别为ω2和ω3，其获取方式如下：
6.根据权利要求1所述的基于稳定工作...
【专利技术属性】
技术研发人员：程瑜华，翁若航，李敏，丁晨，朱紫伊，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学温州研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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