CN106300447A - 一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置。本发明通过对典型电容传电的电路模型优缺点的分析，在其基础上设计了一个新的电容传电电路模型，增加一对极板电容和两个导体。高频振荡***在谐振状态下电容和电感连接处会产生的高频电压，将高频电压接到极板电容上就会产生感应电流，实现电容在极板电容间的传递。本发明相对电感传电具有结构简单、效率随距离延长衰减慢等特点；相对传统电容输电结构，远距离输电情况下能过降低工作频率且传输效率较高等优点。本发明很好的解决了电感传电对周围环境要求的限制，更适合应用到周围环境金属含量高等情况，例如电动汽车无线充电，手机平板无线充电等。

Description

一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输 装置

技术领域

本发明涉及高频谐振高压电场耦合无线电能传输技术，尤其涉及一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置。

背景技术

电感传电技术(IPT)已经广泛的应用到电动汽车以及移动终端设备上，其传输效率已经可与传统的有线传电相媲美。然而电感传电的缺点是依赖导体介质，当空气中金属物质浓度较高时，磁场会产生电流漩涡，造成能量损失，使得温度升高，这是非常危险的。电容传电就很好的解决了这个问题。

电容传电利用电场代替磁场进行电能的传输。电场在有金属障碍物的空间里传电不会造成能量损失。所以电容传电更适用于电动汽车等方面的无线电能传输。电容传电另一个优势是花费低。电容传电仅用金属板，金属板拥有良好的导电性、价格低、重量轻等优势；而电感传电的线圈要用利兹线绕制，利兹线价格较高，这十分不利于无线电能传输的普及。然而典型电容传电的电路具有以下两点不足(如图1)：随着传输距离的增大，耦合电容值变得很小，这使得***谐振频率严重增加；且在很高频率的下，***需要的高频电源难以制作，且高频电阻剧烈增加，从而导致***总体效率的急速下降。因此，基于传统电容传电模型的无线输电***难以实现较远距离的电能传输。

发明内容

本发明通过对典型电容传电的电路模型优缺点的分析，设计了一个新的电容传电电路模型。相对于传统的电感传电，本发明的优点在于结构简单，受周围介质影响较弱，且衰减速率低；具有传输效率高，工作频率稳定，受传输距离影响较小；因为通过极板电容的电流很小，为mA级别，所以对电容极板的阻值不敏感。因此具有较高的实用性的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，包括频率可调高频交流电源、发射端谐振***、接收端谐振***、极板电容C₂和两个导体；极板电容C₂包括两个电容极板，分别为E板和F板，E板、F板正对；

高频交流电源、发射端谐振***、极板电容C₂的E板和导体1构成发射端；接收端谐振***、极板电容C₂的F板、负载和导体2构成接收端；

电能的传导方向依次为：高频交流电源、发射端谐振***、极板电容C₂的E板、极板电容C₂的F板、接收端谐振***、负载。

所述的发射端谐振***包括电感L₁及调谐电容C₁，高频交流电源与发射端谐振***形成串联回路，A、B分别为电容C₁的两端，极板电容C₂的E板与电容C₁的A端连接，A端位于电感L₁及调谐电容C₁之间，B端与导体1连接；所述的接收端谐振***包括电感L₃及调谐电容C₃，接收端谐振***与负载形成串联回路，C、D分别为电容C₃的两端，极板电容C₂的F板与电容C₃的C端连接，C端位于电感L₃及调谐电容C₃之间，D端与导体2连接。

所述的接收端谐振***与负载之间设置有整流电路。

所述的发射端谐振***与接收端谐振***均选用低内阻、高Q值的线圈***。

所述导体1和导体2的形状可以相同也可以不同，且形态可多样化，形状包括线形或板形或块形或球形等。

所述的发射端谐振***与接收端谐振***固有频率一致。

所述的极板电容采用铝箔纸或铁板制成；但不限于上述两种材料。

本发明相对电感传电具有结构简单、效率随距离延长衰减慢等特点；相对传统电容输电结构，远距离输电情况下能过降低工作频率且传输效率较高等优点。本发明很好的解决了电感传电对周围环境要求的限制，更适合应用到周围环境金属含量高等情况，例如电动汽车无线充电，手机平板无线充电等。

附图说明

图1是典型电容传电电路图；

图2是本发明改进电容传电示意图；

图3是本发明***实现图；

图4是本发明等效电路图；

图5是极板电容耦合示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括频率可调交流电源、两组谐振***、极板电容和两个导体四部分。发射端由高频交流电源、发射端谐振***、极板电容C₂的E板和导体1组成；接收端由接收端谐振***、极板电容C₂的F板、导体2和负载组成。发射端谐振***包括电感L₁及调谐电容C₁，高频交流电源与发射端谐振***形成串联回路，极板电容C₂的E板与电容C₁的A端连接，电容C₁的B端与导体1连接；接收端谐振***包括电感L₃及调谐电容C₃，接收端谐振***与负载形成串联回路，极板电容C₂的F板与电容C₃的C端连接，电容C₃的D端与导体2连接；极板电容C₂的E、F板正对。发射端与接收端为无线连接，仅通过极板电容进行能量传输。

导体1、导体2相对于无穷远处相当于两个接地电容。高频振荡***在谐振状态下会在电容C₁与电感L₁的连接处A点产生较大的高频高压的电压，将该高频电压引到极板电容C₂的E端时，极板电容与导体1、导体2的两个对地电容形成回路，极板电容C₂的E、F两端就会产生高频电场，从而产生感应电流。在高频电场的驱动下，谐振***产生的高频电压使得极板电容间产生高频电场，极板电容间产生快速变化的感应电流I₂，通过接收端电容C₃时，会在C₃上产生同频的感应电压，并引起接收端回路C₃-L₃-R_L的回路谐振，从而在接收端负载上产生较大的电流并消耗较大的功率。这样，发射端提供能量，接收端及负载消耗能量，实现了电能的无线传输。

在本发明中，传输回路中的感应电流I₂幅值较小，处于mA级别，因而在传输回路中难以产生功率，因此***对传输回路的寄生阻值要求不高，传输电容回路即便阻值很大(如5kΩ)亦不会明显影响***的传输效率，因此在实际使用中，使用铝箔纸、铁板等常用金属材料构造极板电容即可。这也是本发明的一个重要特点。

本发明中，极板电容C₂的容值很小，约在3～6pF，导体1、导体2的对于无穷远处的虚地电容约在30～60pF，在极板电容与虚地电容形成的回路中，虚地电容相对于极板电容的容值较大，因此虚地电容对***传输效率不产生主要影响，能量主要在极板电容间传递。虚地电容的构造方式有很多种，可以采用线、板、块、球等的孤立导体来构造虚地电容。

步骤一高频交流电源的选取

交流电源需具备以下三点特点：

1)频率稳定。能够长时间稳定工作在***的谐振频率上，并且频率的波动必须尽量的小。

2)频率可调。由于绕制的线圈或生产出来的电容无法保证完全一致，***工作环境也会有所不同，所以不同的无线能量传输***的共振频率不可能完全相同。设计的电源需能适应不同***，即频率必须可调。

3)内阻低。为了降低高频交流电源所消耗的能量，必须选择内阻较小的电源。

基于以上要求，本发明使用的交流电源由直流电源和逆变电路构成，且选用的逆变电路带有手动调节工作频率的功能，这不仅可方便直观的看到不同频率下的工作效果，也使得选用的高频交流电源适应于不同的***。

步骤二谐振***的选取

本发明选用的谐振***选用低内阻、高Q值的线圈***。线圈内阻低，***获得较大的感应电流，当对于高内阻产生更高的电势，使得极板电容中间具有更高的电场能。当线圈内阻一定时，选用高Q值的线圈可以降低***阻抗的有功功率消耗，从而得到较高的传输效率。

步骤三电容传电的实现

如图2所示，本发明所使用的极板电容的两块极板正对，可选用如锡箔纸、铁板等简易材料，极板电容E板接电容C₁的A端，与之相对应的极板电容F板接电容C₃的C端，电容C₁，C₃的B，D端分别接地导体1和导体2。

如图4为本发明等效电路图。本发明中谐振电容两端与导体相连接，导体与无穷远处构成电容，这相当于由极板电容C₂与两串联连接的虚地电容C_g1,C_g2形成传输回路，使极板电容C₂中产生感应电流I₂，但两导体间并不能进行能量传输，若导体与无穷远处构成的电容的容值很小，导体的等效容抗将很大，因此导体的等效容值越低，消耗在导体上的能量越多，通过极板电容传递的能量越少，传输效率越低或根本不足以驱动负载工作，因此需选择等效电容较大的导体。空气中半径为R的孤立导体球，相对于无穷远处的电容计算公式为C_g＝4πε₀R，其中ε₀＝8.85×10^-12是真空介电常数，R为导体球半径。当导体中电荷的改变量为Δq时，其电势改变量为孤立导体球在电荷改变时，电荷改变较为明显，不利于***工作，因此需选用电势改变量小，等效电容的容值大的形状的导体。

如图5，为极板电容示意图。实线箭头为高频电压在正半周期时，虚线箭头为高频电压在负半周期时，极板电容两极板上的电荷的迅速变换，产生快速变化的电流，从而实现能量的传输。极板电容计算公式为A为平板电容的面积，d为两平板电容的距离，极板电容的容值很小，仅是pF级就可实现通过电场耦合使能量在极板电容间传递。高频振荡***在谐振频率下，导体相对于无穷远处具有较大的电容，能量从极板电容间传递，从而驱动负载工作。

通过在工作频段建立基尔霍夫方程：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1(R_1+{\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1})-I_2\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}=C_s,\\ I_1\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}-I_2(\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{g1}}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{g2}}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3})+I_3\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}=0,\\ I_2\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}-I_3(R_3+{\mathrm{j\ωL}}_3+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3})=0.\end{array}\right.$

其中R₁＝R_C1+R_L1+R_p，R₃＝R_C3+R_L3+R_L，R_p为电源内阻，R_C1,3,R_L1,3分别为谐振***电容及电感内阻。

经过推导基尔霍夫方程得出得到传输功率P_O＝|I₃|²R_L。其中 R₁＝R_C1+R_L1+R_p，R₃＝R_C3+R_L3+R_L。

本发明***依次连接后，开启交流电源，此时***中产生感应电流，因为高频作用，在电容和电感之间产高频电压，极板电容上随即产生感应电流。本发明所使用接收与发射谐振***固有频率一致，能量在极板电容间传递，并驱动接收端谐振***共振，通过整流电路对接收到的高频电能进行整流后，驱动负载工作。此时对交流电源的频率进行调节，使得***工作在不同频率下，***产生的感应电流，感应电动势均有所改变，负载接收到的电能也不同。为使***可获得较高的工作性能，仅需调节工作频率使接收电流最大即可。

Claims (5)

1.一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，其特征在于：包括频率可调高频交流电源、发射端谐振***、接收端谐振***、极板电容C₂和两个导体；极板电容C₂包括两个电容极板，分别为E板和F板，E板、F板正对；

高频交流电源、发射端谐振***、极板电容C₂的E板和导体1构成发射端；接收端谐振***、极板电容C₂的F板、负载和导体2构成接收端；

电能的传导方向依次为：高频交流电源、发射端谐振***、极板电容C₂的E板、极板电容C₂的F板、接收端谐振***、负载。

2.根据权利要求1所述的一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，其特征在于：所述的发射端谐振***包括电感L₁及调谐电容C₁，高频交流电源与发射端谐振***形成串联回路，A、B分别为电容C₁的两端，极板电容C₂的E板与电容C₁的A端连接，A端位于电感L₁及调谐电容C₁之间，B端与导体1连接；所述的接收端谐振***包括电感L₃及调谐电容C₃，接收端谐振***与负载形成串联回路，C、D分别为电容C₃的两端，极板电容C₂的F板与电容C₃的C端连接，C端位于电感L₃及调谐电容C₃之间，D端与导体2连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，其特征在于：所述的接收端谐振***与负载之间设置有整流电路。

4.根据权利要求2所述的一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，其特征在于：所述的发射端谐振***与接收端谐振***均选用低内阻、高Q值的线圈***。

5.根据权利要求2所述的一种基于利用电容耦合的两极板虚地结构的无线电能传输装置，其特征在于：所述的发射端谐振***与接收端谐振***固有频率一致。