本發(fā)明涉及無線電能傳輸，具體為一種高增益dc-dc變換器、電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)由于其具有輕便靈活、安全可靠使用維護(hù)簡單、成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在應(yīng)急搜救、電路巡檢和商品配送等領(lǐng)域。然而，受限于無人機(jī)的電池容量，無人機(jī)的續(xù)航能力受到嚴(yán)重的制約，因而無人機(jī)的能量的智能補(bǔ)給是亟待解決的問題。然而，事實(shí)表明傳統(tǒng)的換電式和插拔式補(bǔ)能存在一些明顯的弊端，換電式導(dǎo)致無人機(jī)續(xù)航能力受限、工作效率降低，插拔式補(bǔ)能可能導(dǎo)致接口嚴(yán)重磨損，存在安全隱患。因此，更加安全、高效、智能的供能方式是無人機(jī)的迫切需求。

2、無線電能傳輸(wireless?power?transfer,wpt)技術(shù)是一種通過電磁波或機(jī)械波等實(shí)現(xiàn)從電源到負(fù)載無電氣接觸地進(jìn)行電能傳輸?shù)男滦洼旊娂夹g(shù)。由于wpt技術(shù)在傳輸過程中電源與負(fù)載間不存在任何物理連接，因此相比于傳統(tǒng)接觸式傳輸方法，wpt技術(shù)可以避免因硬件連接所帶來的各種隱患，也能極大地提升用電設(shè)備的靈活性。其中，基于電場耦合的電能傳輸(electric-field?coupled?power?transfer,ecpt)技術(shù)具有以下優(yōu)勢：1)耦合機(jī)構(gòu)采用輕量化金屬作為發(fā)射和接收電極，展現(xiàn)出輕薄、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)；2)ecpt技術(shù)利用交變電場實(shí)現(xiàn)能量傳輸，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跨越金屬障礙的電能傳輸；3)相比于磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，ecpt系統(tǒng)在周圍金屬異物上引起的渦流損耗可以忽略。因此，ecpt技術(shù)更適合應(yīng)用于無人機(jī)無線充電領(lǐng)域。

3、ecpt技術(shù)采用諧振網(wǎng)絡(luò)提升逆變器的輸出電壓為耦合機(jī)構(gòu)提供較高的激勵(lì)電壓，以提升系統(tǒng)的最大傳輸功率，為提高電壓進(jìn)一步提升傳輸功率，可在系統(tǒng)輸入端加入dc-dc變換器以提高輸入電壓，常見的boost等升壓電路電感體積大所以難以集成、emi噪聲大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：如何通過設(shè)計(jì)一種體積小、易集成的高增益dc-dc變換器，以提高電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的直流輸入電壓。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、第一方面，一種高增益dc-dc變換器，包括：第一高頻逆變器，包括用于實(shí)現(xiàn)所述第一高頻逆變器的開關(guān)管零電壓開通的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；所述第一高頻逆變器和倍壓整流器串聯(lián)連接；倍壓整流器，所述倍壓整流器設(shè)置有1個(gè)以上諧振整流電路；當(dāng)設(shè)置有2個(gè)以上諧振整流電路時(shí)，所有的諧振整流電路輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)。

5、作為本發(fā)明所述的高增益dc-dc變換器一種優(yōu)選方案，其中：所述第一高頻逆變器采用連接在直流電源vin和等效負(fù)載電阻r之間的e類功放逆變器；所述e類功放逆變器包括開關(guān)管q、電感l(wèi)a、電感l(wèi)b、電容ca、電容cb，電感l(wèi)a、電感l(wèi)b、電容cb、等效負(fù)載電阻r順序串聯(lián)在直流電源vin的正極端和負(fù)極端之間；所述開關(guān)管q的發(fā)射極和電容ca的一端連接直流電源vin的負(fù)極端，開關(guān)管q的漏極和電容ca的另一端連接電感l(wèi)a和電感l(wèi)b的公共端，開關(guān)管q的柵極連接頻率為f1的驅(qū)動信號。

6、作為本發(fā)明所述的高增益dc-dc變換器一種優(yōu)選方案，其中：所述諧振整流電路包括電容cb1、電容cb2、二極管d1和二極管d2；電容cb1的一端連接第一高頻逆變器的一輸出端和二極管d1的正極端，電容cb2的一端連接第一高頻逆變器的另一輸出端和二極管d2的正極端，二極管d2的負(fù)極端連接二極管d1的正極端。

7、作為本發(fā)明所述的高增益dc-dc變換器一種優(yōu)選方案，其中：所述倍壓整流器采用模塊化設(shè)計(jì)，一個(gè)諧振整流電路的元器件焊接在一塊pcb板上，pcb板間同時(shí)布置有插針、插座，諧振整流電路之間的連接通過插針和插座之間的插接完成。

8、本發(fā)明提供一種高增益dc-dc變換器的有益效果為，本發(fā)明提供的一種高增益dc-dc變換器，其包括第一高頻逆變器和倍壓整流器，倍壓整流器采用層疊式設(shè)計(jì)進(jìn)行升壓，一個(gè)諧振整流電路對應(yīng)一塊pcb板，模塊化的組件在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，也提高了輸出靈活性；dc-dc變換器采用class?e功率放大器作為第一高頻逆變器，通過阻抗匹配環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管zvs(零電壓開通)，提高dc-dc效率；dc-dc變換器利用多級整流升壓，在輕載時(shí)具有較高的電壓增益及效率，在高頻下電感器值可設(shè)計(jì)得足夠小，具有更高的功率密度；多級整流輸出下電壓可達(dá)到千伏級別，可應(yīng)用于電場耦合無線電能傳輸，通過逆變可直接產(chǎn)生高幅度的交流電壓，能夠提高傳輸功率及效率

9、第二方面，為進(jìn)一步解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，包括：電能發(fā)射端，包括直流電源vin、高增益dc-dc變換器、第二高頻逆變器、發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)射極板；所述第二高頻逆變器連接頻率為f2的驅(qū)動信號；電能接收端，包括接收極板、接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流濾波電路和負(fù)載電阻rl；所述發(fā)射極板和接收極板構(gòu)成電場耦合機(jī)構(gòu)。

10、作為本發(fā)明所述的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)一種優(yōu)選方案，其中：所述發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用由電感l(wèi)1和電容ce1組成的lc并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，所述接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用由電感l(wèi)2和電容ce2組成的lc并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

11、作為本發(fā)明所述的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)一種優(yōu)選方案，其中：電容cb1＝電容cb2。

12、作為本發(fā)明所述的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)一種優(yōu)選方案，其中：工作頻率f1＝工作頻率f2。

13、第三方面，本發(fā)明進(jìn)一步提供電場耦合無線電能傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，包括：確定整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載大小和輸出功率要求；確定工作頻率f2，設(shè)計(jì)發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算高增益dc-dc變換器后級電路的等效負(fù)載zin；確定直流電源vin，以及確定直流電源vin與需求輸入電壓間的比值關(guān)系，根據(jù)該比值關(guān)系及等效負(fù)載zin選取諧振整流電路的層疊數(shù)量，同時(shí)調(diào)整發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；確定第一高頻逆變器的工作頻率f1，調(diào)節(jié)第一高頻逆變器內(nèi)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以滿足諧振需求；判斷系統(tǒng)輸出功率是否滿足輸出功率要求，若是則設(shè)計(jì)結(jié)束，若否則返回至步驟確定工作頻率f2，設(shè)計(jì)發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算高增益dc-dc變換器后級電路的等效負(fù)載zin。

14、作為本發(fā)明所述的電場耦合無線電能傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述確定整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載大小和輸出功率要求包括如下步驟：

15、確定系統(tǒng)的目標(biāo)輸出功率pout；

16、定義一個(gè)負(fù)載電阻rl，并在rl,min到rl,max之間變化：rl∈[rl,min,rl,max]；其中，rl,min為最小負(fù)載電阻，rl,max為最大負(fù)載電阻；

17、設(shè)定系統(tǒng)的效率目標(biāo)ηtarget；

18、根據(jù)所述目標(biāo)輸出功率pout和效率目標(biāo)ηtarget，計(jì)算系統(tǒng)需要處理的最大輸入功率pin,max：

19、

20、根據(jù)負(fù)載變化對系統(tǒng)的影響，計(jì)算在負(fù)載范圍內(nèi)的最大電流imax和最小電流imin：

21、

22、所述確定工作頻率f2，設(shè)計(jì)發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算高增益dc-dc變換器后級電路的等效負(fù)載zin包括如下步驟：

23、定義頻率范圍為：f2∈[f2,min,f2,max]；

24、對于發(fā)射端和接收端分別設(shè)計(jì)lc并聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算：

25、

26、其中，l1是發(fā)射端的補(bǔ)償電感；ce1是發(fā)射端的等效補(bǔ)償電容；

27、接收端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算：

28、

29、其中，ω＝2πf2是角頻率，ql是負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，rl是負(fù)載電阻；l2是接收端的補(bǔ)償電感；ce2是接收端的等效補(bǔ)償電容；

30、計(jì)算等效負(fù)載zin：

31、

32、其中，m是互感系數(shù)，反映了發(fā)射和接收線圈之間的耦合程度；

33、定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)找到最佳的工作頻率：

34、fopt(f2)＝w1η(f2)+w2s(f2)；

35、其中，η(f2)是功率傳輸效率，s(f2)是系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，w1和w2是權(quán)重系數(shù)；

36、使用粒子群優(yōu)化pso或其他適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法來尋找最佳的f2值，使fopt(f2)最大化；

37、所述確定直流電源vin，以及確定直流電源vin與需求輸入電壓間的比值關(guān)系，根據(jù)該比值關(guān)系及等效負(fù)載zin選取諧振整流電路的層疊數(shù)量，同時(shí)調(diào)整發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)包括如下步驟：

38、確定直流電源vin，定義一個(gè)比值k，通過比值k表示直流電源vin與需求輸入電壓vout的比例；

39、選取層疊數(shù)量：

40、n∈[nmin,nmax]；

41、其中，nmin和nmax分別是最小和最大可接受的層疊數(shù)量；

42、根據(jù)系統(tǒng)效率與層疊數(shù)量、等效負(fù)載和電壓比的關(guān)系建立效率模型；

43、通過優(yōu)化算法優(yōu)化層疊數(shù)量；

44、根據(jù)選定的層疊數(shù)量，調(diào)整之前設(shè)計(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；

45、使用調(diào)整后的參數(shù)，重新計(jì)算系統(tǒng)的預(yù)期效率和輸出功率。

46、本發(fā)明的有益效果為，應(yīng)用高增益dc-dc變換器，能夠有效提高系統(tǒng)的輸出電壓，提高傳輸功率及效率，且所采用的高增益dc-dc變換器為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)系統(tǒng)需求自由設(shè)置整流器的層疊數(shù)量，在高頻下高增益dc-dc變換器的電感器值可設(shè)計(jì)得足夠小，體積下、易集成，還具有較高的功率密度。