[发明专利]用于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法

说明书

本发明公开了用于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法。电场耦合在中远距离传输的应用中，传输能力急剧下降的缺点一直困扰着研究者。本发明的步骤如下：步骤1、获取信号源内阻；步骤2、建立阻抗匹配网络内各元件的表达式；步骤3、建立电压增益与实际工作频率的函数关系式；步骤4、改变参数仿真电压变化曲线。本发明通过仿真模拟讨论在元件参数准确时，工作频率发生抖动以及电感的寄生电阻对系统电压增益造成的影响，得到参数设计时能够使电路的稳定性和电压增益都较理想的参数选值区间。过本发明的参数设计优化过程，可以避免电路在工作过程中发生不必要的损害。

技术领域

本发明属于电场耦合无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法。

背景技术

随着无线电能传输技术的发展，基于各种传输形式的无线电能传输系统应用在植入式医疗，电动车供电以及消费类电子充电等领域中。目前应用最广泛，技术最成熟的是基于线圈之间的磁场耦合式无线电能传输技术，相比较而言，电场耦合作为同磁场耦合对偶的一种工作方式，仅用轻薄廉价的铝板或铜板作为发射接收极，且在周围存在金属物体中，泄露电场不会在其中引起涡流损耗，在高频应用中，可以做到较好的极板间电流隔离，不需要昂贵的高额额定磁芯。但是电场耦合在中远距离传输的应用中，传输能力急剧下降的缺点一直困扰着研究者。通过阻抗匹配网络能够起到增加电容端口传输电压、提高系统传输能力，增强系统鲁棒性等作用，因此在匹配网络的设计流程中如何进行优化是一个十分重要的问题。

阻抗匹配网络在不同的应用下，其结构和设计流程也不尽相同。在电场耦合中，匹配网络的目的是与两对金属极板产生的电容谐振，从而达到虚部阻抗为零，将无功损耗降到最低，同时通过阻抗匹配获得最大输出功率或者达到最大传输效率。然而在设计过程中，可能会出现以下问题：①电路稳定性不足。包括当元件参数与实际标称值存在误差，以及电路的工作频率发生抖动的情况下，电路的输入输出电压增益与理想值存在较大差值。②匹配网络中所用到的电感的寄生电阻对电压增益的影响较大，在电路中不可忽视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电场耦合无线电能传输的阻抗匹配网络的优化方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、获取信号源内阻Rs。

步骤2、建立阻抗匹配网络内各元件的表达式

2-1.以LCL阻抗匹配网络作为阻抗匹配网络；LCL阻抗匹配网络包括电感L1、电感L2和电容C1。引入第一负载品质因数Q₁、第二负载品质因数Q₂和电感比k。第一负载品质因数Q₁为电感L1的阻抗与信号源内阻Rs的比值；第一负载品质因数Q₁为电感L2的阻抗与负载阻抗RL的比值；电感比k表示电感L1与电感L2的电感值之比；结合式(1)，引入综合品质因数

2-2.建立Q₁、Q₂关于Q₀、k的表达式如式(1)所示；

2-3.建立LCL阻抗匹配网络的参数计算表达式如式(2)所示；

式(2)中，ω₀为目标工作频率。

步骤3、建立电压增益|Mv|与实际工作频率ω的函数关系式如式(3)所示；

式(3)中，C_E1为电场耦合无线电能传输电路中的第一对无线传输极板之间的电容值；C_E2为电场耦合无线电能传输电路中的第二对无线传输极板之间的电容值；j为虚数单位。