專利名稱：一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到無(wú)線電能傳輸技術(shù)，具體地說(shuō)，是一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于電源質(zhì)量要求越來(lái)越高,要求其具有便攜,安全,高效，環(huán)保等特點(diǎn)，而以擺脫電纜線束縛為初衷的無(wú)線電能傳輸技術(shù)使這一愿望在電能的使用上成為可能。所謂無(wú)線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transmission Technique)是指綜合利用現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)、電路理論、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電能從電源(電網(wǎng)或電池)通過(guò)軟介質(zhì)(如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、微波、激光等)以非電氣接觸模式傳遞給用電設(shè) 備，或用電設(shè)備通過(guò)軟介質(zhì)將能量回饋電源。目前，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究主要集中在以下幾種電磁感應(yīng)，磁共振，微波，激光等。從目前國(guó)內(nèi)外的研究看來(lái)，感應(yīng)I禹合電能傳輸(ICPT, Inductive Coupled PowerTransfer)技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。但是在ICPT技術(shù)中，電磁干擾問(wèn)題和金屬障礙物能量傳輸阻斷問(wèn)題一直是影響ICPT技術(shù)更進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。于是在能量的無(wú)線傳輸中，人們又開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向一種新型的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，即電場(chǎng)稱合電能傳輸(ECPT,Electrical-field coup I ed power transfer)技術(shù)。它相對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的ICPT技術(shù)而言，在能量的傳輸過(guò)程中采用電場(chǎng)耦合的電能傳輸方式，以鋁、銅等金屬薄板替代ICPT系統(tǒng)中以高頻李茲線和磁芯組成的耦合機(jī)構(gòu)，可以顯著減小系統(tǒng)體積和重量，提高了耦合機(jī)構(gòu)的柔韌性，降低電磁屏蔽的難度，并能克服金屬障礙物對(duì)能量的阻斷，且不會(huì)導(dǎo)致周圍導(dǎo)體產(chǎn)生渦流發(fā)熱?，F(xiàn)有技術(shù)中，中國(guó)專利200420102336.0公開(kāi)了一種使用電場(chǎng)耦合變壓器構(gòu)成的直流變換器，該文獻(xiàn)將電場(chǎng)耦合技術(shù)應(yīng)用于直流變換器中，解決了電感耦合技術(shù)的部分缺陷。歐洲專利國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/IB2003/005523，國(guó)際公布號(hào)為W02004/038920(06. 05. 2004Gazette 2004/19)公開(kāi)一種容性耦合的電源，該專利將E類放大器利用于電場(chǎng)耦合當(dāng)中，當(dāng)負(fù)載阻值變化的時(shí)候，其檢測(cè)回路電流用于控制開(kāi)關(guān)管的頻率與占空比，到達(dá)控制目的。文獻(xiàn)Gurhan Alper Kendir, Wentai Liu, Mohanasankar Sivaprakasam, MarkS. Humayun0 An Optimal Design Methodology for Inductive Power Link With Class-EAmplifier[J]· IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS. VOL. 52, NO. 5, MAY 2005 對(duì)于E類放大器在磁場(chǎng)耦合方式的工作原理及控制方法也進(jìn)行了相關(guān)論述。而在現(xiàn)有的ECPT系統(tǒng)應(yīng)用中，由于其耦合極板通常是一個(gè)分離結(jié)構(gòu)，在工作過(guò)程中，不同的耦合狀態(tài)下傳輸距離可能發(fā)生改變，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功率傳輸能力和傳輸效率下降，甚至系統(tǒng)會(huì)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。綜合分析現(xiàn)有的專利與文獻(xiàn)，結(jié)果表明該關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚無(wú)較好的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，考慮了耦合極板位移變化問(wèn)題并且提高了系統(tǒng)的傳輸能量和傳輸效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的所采用的技術(shù)方案如下一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源電路、高頻逆變電路、調(diào)諧電路、電場(chǎng)耦合極板、整流濾波電路以及負(fù)載電路，其關(guān)鍵在于還包括耦合電容檢測(cè)模塊、控制器以及定頻驅(qū)動(dòng)電路，所述調(diào)諧電路中設(shè)置有電容補(bǔ)償陣列，耦合電容檢測(cè)模塊用于檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板的參數(shù)，控制器接收耦合電容檢測(cè)模塊所檢測(cè)的參數(shù)并控制所述調(diào)諧電路中電容補(bǔ)償陣列的補(bǔ)償值，控制器還用于輸出定頻控制信號(hào)，該定頻控制信號(hào)經(jīng)定頻驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)所述高頻逆變電路工作。
電源電路可以是交流市電經(jīng)過(guò)整流后得到的直流電源，也可以是直接接入穩(wěn)定直流電源。電源電路提供的直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變電路轉(zhuǎn)換得到高頻交流電，高頻交流電經(jīng)過(guò)諧振電路進(jìn)行調(diào)諧，最后加載到電場(chǎng)耦合極板上，通過(guò)電場(chǎng)耦合極板產(chǎn)生交互電場(chǎng)，在交互電場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移電流“流過(guò)”極板實(shí)現(xiàn)能量傳輸，通過(guò)整流濾波電路進(jìn)行整流和濾波，最后向負(fù)載電路提供穩(wěn)定的功率輸出。在調(diào)諧電路中設(shè)置有電容補(bǔ)償陣列，由于電場(chǎng)耦合極板容易發(fā)生移位，并且在不同耦合極板距離的應(yīng)用場(chǎng)合下，通過(guò)耦合電容檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板的參數(shù)，一旦發(fā)生變化，利用控制器可以計(jì)算出耦合電容的變化值，通過(guò)控制電容補(bǔ)償陣列進(jìn)行補(bǔ)償，從而調(diào)整調(diào)諧電路中的諧振參數(shù)，改善電場(chǎng)耦合極板的耦合性能，讓系統(tǒng)在定頻率定占空比的情況下始終維持在穩(wěn)定的軟開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)性能。作為進(jìn)一步描述，所述電場(chǎng)耦合極板由兩對(duì)發(fā)射板和接收板組成，每對(duì)發(fā)射板和接收板的板面相互平行且正對(duì)，所述耦合電容檢測(cè)模塊為紅外檢測(cè)模塊，該耦合電容檢測(cè)模塊所檢測(cè)的參數(shù)為發(fā)射板和接收板之間的距離。由于電場(chǎng)耦合極板的等效電容與極板的面積和極板之間的距離均有關(guān)，相對(duì)面積的改變存在很多不確定性，因此利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射板和接收板的運(yùn)行軌跡進(jìn)行限制，使其相互平行并正對(duì)，極板之間只會(huì)存在距離的改變，通過(guò)紅外技術(shù)即可方便的檢測(cè)發(fā)射板和接收板之間的距離變化情況，從而為控制器提供電容補(bǔ)償?shù)膮⒖剂?，?shí)現(xiàn)電容補(bǔ)償陣列的有效控制。再進(jìn)一步描述，所述高頻逆變電路為E類放大電路，主要由電容Cl、電感LI以及開(kāi)關(guān)管Ql組成，其中，電容Cl的正極端與電感LI的一端相連，電感LI的另一端接電源電路的正極輸出端，電容Cl的負(fù)極端接電源電路的負(fù)極輸出端，電容Cl的兩端還作為高頻逆變電路的輸出端并與所述調(diào)諧電路的輸入端連接，所述開(kāi)關(guān)管Ql并接在電容Cl的兩端上，開(kāi)關(guān)管Ql的控制端作為高頻逆變電路的控制端組與所述定頻驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連。所述調(diào)諧電路中設(shè)置有電感L2、電感L3、以及電容C2，其中電感L2的一端作為調(diào)諧電路的一個(gè)輸入端，電感L2的另一端連接在電容C2的正極端，電容C2的正極端上還與電感L3的一端連接，電感L3的另一端作為調(diào)諧電路的一個(gè)輸出端，調(diào)諧電路的另一輸入端和另一輸出端均為電容C2的負(fù)極端，所述電容補(bǔ)償陣列并接在調(diào)諧電路的兩個(gè)輸出端之間。為了提高系統(tǒng)的能量傳輸效率，高頻逆變電路不再采用普通的橋式逆變電路，而是選擇E類放大器逆變，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的調(diào)諧電路進(jìn)行控制，采用定頻定占空比的信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Ql。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，所述電容補(bǔ)償陣列設(shè)置在A、B兩個(gè)接線端之間，主要由電容C31、電容C32、電容C33、電容C34以及開(kāi)關(guān)K1、開(kāi)關(guān)K2、開(kāi)關(guān)K3和開(kāi)關(guān)K4組成，其中開(kāi)關(guān)Kl和電容C31依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第一支路；開(kāi)關(guān)K2和電容C32依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第二支路；電容C33、開(kāi)關(guān)K4以及電容C34依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第三支路；開(kāi)關(guān)K3的一端連接在電容C33和開(kāi)關(guān)K4的公共端上，開(kāi)關(guān)K3的另一端連接在開(kāi)關(guān)K2和電容C32的公共端上； 開(kāi)關(guān)K1、開(kāi)關(guān)K2、開(kāi)關(guān)K3以及開(kāi)關(guān)K4分別接受控制器的控制。在參數(shù)配置過(guò)程中，所述電容C31、電容C32、電容C33、電容C34的電容值相同，具體的取值根據(jù)補(bǔ)償電容大小數(shù)量級(jí)上的最小值進(jìn)行確定。本發(fā)明的顯著效果是采用電場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸，可以大大減小了感應(yīng)耦合技術(shù)中的電磁干擾問(wèn)題，采用E類放大器進(jìn)行逆變和固定參數(shù)優(yōu)化和調(diào)諧阻抗控制方法，提高了系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率，通過(guò)設(shè)置耦合電容檢測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)的電場(chǎng)耦合極板進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦電場(chǎng)耦合極板的參數(shù)發(fā)生變化，利用控制器控制電容補(bǔ)償陣列對(duì)系統(tǒng)的等效電容值進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)電容補(bǔ)償陣列連接關(guān)系的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧電路的有效控制，從而保證系統(tǒng)維持在穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)耦合極板距離在一定范圍內(nèi)變化的功率傳輸穩(wěn)定性。


圖I是本發(fā)明的電路原理框圖；圖2是圖I中高頻逆變電路2的電路原理圖；圖3是圖I中調(diào)諧電路3的電路原理圖；圖4是圖3中電容補(bǔ)償陣列的電路原理圖；圖5是本發(fā)明的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源電路I、高頻逆變電路2、調(diào)諧電路3、電場(chǎng)耦合極板4、整流濾波電路5、負(fù)載電路6、耦合電容檢測(cè)模塊7、控制器8以及定頻驅(qū)動(dòng)電路9，電源電路I提供的直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變電路2轉(zhuǎn)換得到高頻交流電，高頻交流電經(jīng)過(guò)調(diào)諧電路3進(jìn)行調(diào)諧，最后加載到電場(chǎng)耦合極板4上，通過(guò)電場(chǎng)耦合極板4產(chǎn)生交互電場(chǎng)，在交互電場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移電流“流過(guò)”極板實(shí)現(xiàn)能量傳輸，通過(guò)整流濾波電路5進(jìn)行整流和濾波，最后向負(fù)載電路6提供穩(wěn)定的功率輸出。如圖2所示，所述高頻逆變電路2為E類放大電路，主要由電容Cl、電感LI以及開(kāi)關(guān)管Ql組成，其中，電容Cl的正極端與電感LI的一端相連，電感LI的另一端接電源電路I的正極輸出端，電容Cl的負(fù)極端接電源電路I的負(fù)極輸出端，電容Cl的兩端還作為高頻逆變電路2的輸出端并與所述調(diào)諧電路3的輸入端連接，所述開(kāi)關(guān)管Ql并接在電容Cl的兩端上，開(kāi)關(guān)管Ql的控制端作為高頻逆變電路2的控制端組與所述定頻驅(qū)動(dòng)電路9的輸出端相連。如圖3所示，所述調(diào)諧電路3中設(shè)置有電感L2、電感L3、以及電容C2，其中電感L2的一端作為調(diào)諧電路3的一個(gè)輸入端，電感L2的另一端連接在電容C2的正極端，電容C2的正極端上還與電感L3的一端連接，電感L3的另一端作為調(diào)諧電路3的一個(gè)輸出端，調(diào)諧電路3的另一輸入端和另一輸出端均為電容C2的負(fù)極端，所述電容補(bǔ)償陣列并接在調(diào)諧電路3的兩個(gè)輸出端之間。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立模型，在耦合極板電容值與負(fù)載確定的時(shí)候，可以確定初始時(shí)刻開(kāi)關(guān)管Ql驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和占空比，電感LI，電感L2，電感L3的大小以及電容Cl，電容C2的大小，讓系統(tǒng)達(dá)到軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在調(diào)諧電路3中設(shè)置有電容補(bǔ)償陣列，所述耦合電容檢測(cè)模塊7用于檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板4的參數(shù)，控制器8接收耦合電容檢測(cè)模塊7所檢測(cè)的參數(shù)并控制所述調(diào)諧電路3中電容補(bǔ)償陣列的補(bǔ)償值，控制器8還用于輸出定頻控制信號(hào)，該定頻控制信號(hào)經(jīng)定頻驅(qū)動(dòng)電路9后驅(qū)動(dòng)所述高頻逆變電路2工作。通過(guò)設(shè)置電容補(bǔ)償陣列，利用耦合電容檢測(cè)模塊7檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板4的參數(shù)，控制器8通過(guò)接收耦合電容檢測(cè)模塊7所檢測(cè)的參數(shù)來(lái)控制調(diào)諧電路3中電容補(bǔ)償陣列的補(bǔ)償值，從而保證系統(tǒng)始終維持在諧振狀態(tài)，保證最大功率傳輸。在實(shí)施過(guò)程中，所述電場(chǎng)耦合極板4由兩對(duì)發(fā)射板和接收板組成，每對(duì)發(fā)射板和接收板的板面相互平行且正對(duì)，所述耦合電容檢測(cè)模塊7為紅外檢測(cè)模塊，該耦合電容檢測(cè)模塊7所檢測(cè)的參數(shù)為發(fā)射板和接收板之間的距離。由于電場(chǎng)耦合極板4可以近似等效為一個(gè)電容，其補(bǔ)償電容值
權(quán)利要求
1.一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源電路(I)、高頻逆變電路(2)、調(diào)諧電路(3)、電場(chǎng)耦合極板(4)、整流濾波電路(5)以及負(fù)載電路(6)，其特征在于還包括耦合電容檢測(cè)模塊(7)、控制器(8)以及定頻驅(qū)動(dòng)電路(9)，所述調(diào)諧電路(3)中設(shè)置有電容補(bǔ)償陣列，耦合電容檢測(cè)模塊(7)用于檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板(4)的參數(shù)，控制器(8)接收耦合電容檢測(cè)模塊(7)所檢測(cè)的參數(shù)并控制所述調(diào)諧電路(3)中電容補(bǔ)償陣列的補(bǔ)償值，控制器(8)還用于輸出定頻控制信號(hào)，該定頻控制信號(hào)經(jīng)定頻驅(qū)動(dòng)電路(9)后驅(qū)動(dòng)所述高頻逆變電路(2)工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于電場(chǎng)稱合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述電場(chǎng)耦合極板(4)由兩對(duì)發(fā)射板和接收板組成，每對(duì)發(fā)射板和接收板的板面相互平行且正對(duì)，所述耦合電容檢測(cè)模塊(7)為紅外檢測(cè)模塊，該耦合電容檢測(cè)模塊(7)所檢測(cè)的參數(shù)為發(fā)射板和接收板之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于電場(chǎng)稱合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述高頻逆變電路(2)為E類放大電路，主要由電容Cl、電感LI以及開(kāi)關(guān)管Ql組成，其中，電容Cl的正極端與電感LI的一端相連，電感LI的另一端接電源電路(I)的正極輸出端，電容Cl的負(fù)極端接電源電路(I)的負(fù)極輸出端，電容Cl的兩端還作為高頻逆變電路(2)的輸出端并與所述調(diào)諧電路(3)的輸入端連接，所述開(kāi)關(guān)管Ql并接在電容Cl的兩端上，開(kāi)關(guān)管Ql的控制端作為高頻逆變電路(2)的控制端與所述定頻驅(qū)動(dòng)電路(9)的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于電場(chǎng)稱合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)諧電路(3 )中設(shè)置有電感L2、電感L3、以及電容C2，其中電感L2的一端作為調(diào)諧電路(3 )的一個(gè)輸入端，電感L2的另一端連接在電容C2的正極端，電容C2的正極端還與電感L3的一端連接，電感L3的另一端作為調(diào)諧電路(3)的一個(gè)輸出端，調(diào)諧電路(3)的另一輸入端和另一輸出端均為電容C2的負(fù)極端，所述電容補(bǔ)償陣列并接在調(diào)諧電路(3)的兩個(gè)輸出端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于電場(chǎng)稱合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述電容補(bǔ)償陣列設(shè)置在A、B兩個(gè)接線端之間，主要由電容C31、電容C32、電容C33、電容C34以及開(kāi)關(guān)K1、開(kāi)關(guān)K2、開(kāi)關(guān)K3和開(kāi)關(guān)K4組成，其中 開(kāi)關(guān)Kl和電容C31依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第一支路； 開(kāi)關(guān)K2和電容C32依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第二支路； 電容C33、開(kāi)關(guān)K4以及電容C34依次串接A、B兩個(gè)接線端之間作為第三支路； 開(kāi)關(guān)K3的一端連接在電容C33和開(kāi)關(guān)K4的公共端上，開(kāi)關(guān)K3的另一端連接在開(kāi)關(guān)K2和電容C32的公共端上； 開(kāi)關(guān)K1、開(kāi)關(guān)K2、開(kāi)關(guān)K3以及開(kāi)關(guān)K4分別接受控制器(8)的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電場(chǎng)稱合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在于所述電容C31、電容C32、電容C33、電容C34的電容值相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源電路、高頻逆變電路、調(diào)諧電路、電場(chǎng)耦合極板、整流濾波電路以及負(fù)載電路，其特征在于還包括耦合電容檢測(cè)模塊、控制器以及定頻驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)諧電路中設(shè)置有電容補(bǔ)償陣列，控制器通過(guò)耦合電容檢測(cè)模塊檢測(cè)電場(chǎng)耦合極板的參數(shù)控制電容補(bǔ)償陣列的補(bǔ)償值，控制器還輸出定頻控制信號(hào)，經(jīng)定頻驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)高頻逆變電路工作。其顯著效果是基于電場(chǎng)耦合并采用E類放大器，提高了系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率，通過(guò)設(shè)置耦合電容檢測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)的電場(chǎng)耦合極板進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)電容補(bǔ)償值的有效控制，從而保證系統(tǒng)維持在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提高系統(tǒng)功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102882286SQ20121035847
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者蘇玉剛, 唐春森, 王智慧, 戴欣, 孫躍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)