[发明专利]一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法

说明书

本申请公开了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，利用电压传递关系，得到输出电压恒定的条件及电压增益的确定方法，根据电压增益表达式并以耦合器的面积作为约束条件确定系统的补偿电容；根据输出电压恒定条件、补偿电容以及预设的工作频率计算补偿电感；若补偿电感中的任意一个大于预设的电感阈值，则修改工作频率、补偿电容中的至少一个，直至补偿电感均不大于电感阈值；对基于本方法设计的系统参数进行仿真实验，表明系统输出电压与负载阻抗无关；该设计方法解决了系统负载阻抗发生变化时输出电压不稳定的问题，使系统具有优异的输出电压恒定特性。

技术领域

本申请涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术摆脱传统电缆的束缚，正逐渐成为一些设备和领域的电能供给方式。目前用于近场耦合的无线电能传输技术大多使用电磁耦合的方式，但随着研究的深入，电磁耦合式的无线电能传输存在本质上的不可避免的技术障碍，如耦合线圈要求有一定的同轴性使得其抗偏移特性较差，侵入耦合器之间的金属物体会产生涡流损耗并消耗能量，漏感的存在不仅降低能量传输效率而且会给周边的电磁安全带来一定的影响，这些问题迫使人们寻找一种性能更加优异的无线电能传输技术替代方案。电场耦合式无线电能传输已经被证实可以在中等距离条件下进行高效的大功率电能无线传输，其具有耦合器构造简单、灵活、成本低，对侵入耦合器的金属物体不敏感，电磁安全性能相对较好等特点，正在引起越来越多的关注。

恒定输出特性是保证供电质量的一个非常重要的方面，用电设备通常要求相对稳定的输入，以获得额定的工作状态。目前常用的双侧LC补偿的电场耦合无线电能传输的恒压输出方法，主要是通过设置工作频率与发射端或接收端的LC补偿网络的固有谐振频率满足特定的关系来实现，其主要缺点是补偿网络中的各元器件及耦合电容之间的谐振关系不明确，不利于指导电路参数设计，且恒压输出的条件设定的工作频率，在一定情况下与LC补偿网络的固有谐振频率非常接近，不利于工程实现。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，使电场耦合无线电能传输系统具有输出电压与负载无关(在一定范围内)的恒压输出特性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种恒压输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电场耦合无线电能传输系统包括依次相连的直流电源、高频逆变电路、由补偿电感L1和补偿电容C1构成的发射端LC补偿网络、由两对金属极板构成的耦合器、由补偿电感L2和补偿电容C2构成的接收端LC补偿网络和整流滤波电路；该方法包括以下步骤：

S1：获取设定的直流电源输入电压U_in及系统输出电压U_out，并根据计算电压增益G；

S2：获取初始选定的补偿电容C₁和C₂，根据计算两个平行板电容器的耦合电容C_o、C_e；

S3：根据所述耦合电容C_o、C_e分别计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定补偿电容C₁、C₂；

S4：获取初始选定的工作频率f，根据步骤S3确定的补偿电容C₁、C₂以及所述工作频率f分别计算补偿电感L₁,L₂；