一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统

摘要

本发明公开了一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统，包括多个发射端和一个接收端，发射端包括电流源、补偿电路、发射端极板，接收端包括接收端极板、补偿电路、整流滤波电路和负载；多个发射端极板放置在接收端极板上。本发明的有益效果在于，将发射端并联在一起且保持输入电流同相，增加输入总电流，使得输入功率增加，从而提高系统传输功率。同时输入端通过连接补偿电路使得多个发射端均为谐振状态，使系统传递有功功率，并且有较高的稳定性。接收端极板形状为矩形、圆形、正多边形等，使系统适用范围不受限。

权利要求

1.一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统，其特征在于，包括k个发射端和一个接收端，k大于等于2；

所述k个发射端中，第1发射端包括电流源I1、补偿电路N1、发射端极板P1和发射端极板P2，电流源I1的输出端连接到补偿电路N1的输入端，补偿电路N1的输出端一端连接到极板P1，另一端连接到极板P2；第2发射端包括电流源I2、补偿电路N2、发射端极板P3和发射端极板P4，电流源I2的输出端连接到补偿电路N2的输入端，补偿电路N2的输出端一端连接到极板P3，另一端连接到极板P4；以此类推，第k发射端包括电流源Ik、补偿电路Nk、发射端极板P2k-1和发射端极板P2k，电流源Ik的输出端连接到补偿电路Nk的输入端，补偿电路Nk的输出端一端连接到极板P2k-1，另一端连接到极板P2k；所述接收端包括接收端极板P2k+1、接收端极板P2k+2、补偿电路Nk+1、整流滤波电路P和负载RL；极板P2k+1和P2k+2分别连接到补偿电路Nk+1的输入端，补偿电路Nk+1的输出端通过整流滤波电路P连接到负载RL；发射端极板P1、P3、…、P2k-1放置在接收端极板P2k+1上，P2、P4、…、P2k放置在P2k+2上；所述补偿电路N1、N2、…、Nk和Nk+1均为CLC'-π型结构。

2.如权利要求1所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端极板P1、P2、P3、P4…、P2k-1和P2k形状相同，接收端极板P2k+1和P2k+2形状相同；P1、P3、…、P2k-1依次等距放置在P2k+1上，P2、P4、…、P2k依次等距放置在P2k+2上，P1、P3、…、P2k-1与P2、P4、…、P2k的放置位置依次对应；发射端极板P1、P3、…、P2k-1的板面平行于接收端极板P2k+1的板面且距离均相等，发射端极板P2、P4、…、P2k的板面平行于接收端极板P2k+2的板面且距离均相等；接收端极板P2k+1邻近P2k+2，且其板面位于同一平面。

3.如权利要求2所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端极板和接收端极板均为矩形，发射端极板沿矩形长边方向放置在接收端极板上；接收端极板的长边相互平行，同侧短边位于一条直线。

4.如权利要求2所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端极板为矩

形，接收端极板为圆形，发射端极板围绕圆心放置在接收端极板上。

5.如权利要求2所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端极板为矩

形，接收端极板为正多边形，发射端极板围绕正多边形的中心放置在接收端极板上。

6.如权利要求1所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端极板和接收端极板为相互对应的曲面。

7.如权利要求1所述的电场式无线电能传输系统，其特征在于，所述接收端极板为球

体，发射端极板为与之对应的曲面。

说明书

一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统

技术领域

[0001] 本发明涉及高频电场耦合无线电能传输技术领域，特别是一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统。

背景技术

[0002] 无线电能传输技术是一种新型的电能传输技术，在大功率的应用场合中采用最多的是用电磁耦合的方式来实现，IPT技术可以避免接触网或第三轨脱轨等安全隐患，摆脱了电气设备接触的束缚，但其也存在一些不足，比如：使用成本较高的高频利兹线、需要使用高频铁氧体材料对磁场进行引导使得发射接收耦合装置的重量增加，同时泄露的磁场会在周围对金属物产生涡流损耗，限制了IPT使用的范围。因此近年来，作为IPT对偶的工作方式CPT(电场耦合式无线电能传输技术)备受人们的关注与研究。

[0003] 电场耦合式无线电能传输不会在金属物附近产生涡流发热，并且用价格较为廉价的铝板或者铜板进行传能，可以节约成本。由此可见电场式无线电能传输具有广阔的发展前景。传统的电场式无线电能传输输入端只含单个逆变器，受到开关器件容量与价格的限制，所以使得系统传输功率有限，由于极板之间形成的电容较小，仅为pF级别，所以需要提高系统工作频率或者极板之间的电压来提高传输功率。因此有必要在现有的开关器件容量水平条件下，通过并联多个小功率的高频逆变器来实现总输入电流的增加，使得输入功率增加，进而提高CPT系统的传输功率，同时也提高了系统的冗余性。多路发射与单路发射相比，在传递相同有功功率的情况下可以减小发射极板上的电压应力，提高系统的安全性。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统。

[0005] 实现本发明目的的技术方案为：

[0006] 一种多发射单接收结构的电场式无线电能传输系统，其特征在于，包括k个发射端和一个接收端，k大于等于2；所述k个发射端中，第1发射端包括电流源I1、补偿电路N1、发射端极板P1和发射端极板P2，电流源I1的输出端连接到补偿电路N1的输入端，补偿电路N1的输出端一端连接到极板P1，另一端连接到极板P2；第2发射端包括电流源I2、补偿电路N2、发射端极板P3和发射端极板P4，电流源I2的输出端连接到补偿电路N2的输入端，补偿电路N2的输出端一端连接到极板P3，另一端连接到极板P4；以此类推，第k发射端包括电流源Ik、补偿电路Nk、发射端极板P2k-1和发射端极板P2k，电流源Ik的输出端连接到补偿电路Nk的输入端，补偿电路Nk的输出端一端连接到极板P2k-1，另一端连接到极板P2k；所述接收端包括接收端极板P2k+1、接收端极板P2k+2、补偿电路Nk+1、整流滤波电路P和负载RL；极板P2k+1和P2k+2分别连接到补偿电路Nk+1的输入端，补偿电路Nk+1的输出端通过整流滤波电路P连接到负载RL；发射端极板P1、P3、…、P2k-1放置在接收端极板P2k+1上，P2、P4、…、P2k放置在P2k+2上；所述补偿电路N1、N2、…、Nk和Nk+1均为CLC'-π型结构。

[0007] 进一步地，所述发射端极板P1、P2、P3、P4…、P2k-1和P2k形状相同，接收端极板P2k+1和P2k+2形状相同；P1、P3、…、P2k-1依次等距放置在P2k+1上，P2、P4、…、P2k依次等距放置在P2k+2上，P1、P3、…、P2k-1与P2、P4、…、P2k的放置位置依次对应；发射端极板的板面平行于接收端极板的板面且距离相等；接收端极板P2k+1邻近P2k+2，且其板面位于同一平面。该技术方案中，[0008] 前一技术方案中；所述发射端极板和接收端极板均为矩形，发射端极板沿矩形长边方向放置在接收端极板上；接收端极板的长边相互平行，同侧短边位于一条直线。或者，所述发射端极板为矩形，接收端极板为圆形，发射端极板围绕圆心放置在接收端极板上。或者，所述发射端极板为矩形，接收端极板为正多边形，发射端极板围绕正多边形的中心放置在接收端极板上。

[0009] 进一步地，所述发射端极板和接收端极板为相互对应的曲面。

[0010] 进一步地，所述接收端极板为球体，发射端极板为与之对应的曲面。

[0011] 本发明的有益效果在于，

[0012] 1.将(2k+2)块极板等效为(k+1)个端口网络，其中1,2,3…k个端口作为发射端，(k+1)端口作为接收端，将发射端并联在一起且保持输入电流同相，增加输入总电流，使得输入功率增加，从而提高系统传输功率。

[0013] 2.通过电流源并联CLC'补偿结构来减小k个输入端之间的相互影响，并且使得电路为谐振状态，系统输出均为有功功率，并且维持在稳定状态运行。

[0014] 3.系统在相同容量的开关器件的条件下能够有效的提高CPT系统的输出功率，同时传输效率较高。

[0015] 4.在传递相同功率的情况下输入端的极板电压应力减小。

[0016] 5.接收极板形状可以为矩形、圆形、正多边形等，使系统适用范围不受限。

附图说明

[0017] 图1接收极板为矩形的结构示意图；

[0018] 图2接收极板为圆形的结构示意图；

[0019] 图3接收极板为正多边形的结构示意图；

[0020] 图4接收极板为球体或球面的结构示意图；

[0021] 图5是6块极板电容等效为3个端口的电容并联电流源结构图；

[0022] 图6是六极板三端口的系统结构电路；

[0023] 图7是(2k+2)块极板电容等效为(k+1)个端口的电容并联电流源结构图；

[0024] 图8是本发明CPT系统结构示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0026] 图1是接收极板为矩形的(2k+2)块极板结构图，其中P1P2、P3P4…P2k-1P2k板作为发射极板，P2k+1P2k+2板作为接收极板。并且发射极板均为正方形，其边长为l1，发射极板P1和P2、P3和P4…P2k-1和P2k之间的距离均为le1。

[0027] 图2、图3分别为接收极板圆形、正多边形的结构图，两块接收极板大小均相同。

[0028] 发射极板和接收极板可以是平面板，也可以是曲面板，以适应实际使用过程的不同需要。接收极板甚至还可以是多面体或球体，只要发射极板和接收极板能够构成电容即可。如图4所示，接收极板为球面或球体。

[0029] 以两个发射端和一个接收端为例。

[0030] 如图5、图6所示，该系统变为双发射单接收结构的电场耦合式无线电能传输系统，依次包括连接的两个交流电流源(I1、I2)、两个发射端补偿电路N1(CP1、LP1、CE1)和N2(CP2、LP2、CE2)、四块发射端极板(P1板、P2板、P3板、P4板)等效电容、两块接收端极板(P5板、P6板)等效电容、接收端补偿电路N3(CE3、LS、CS)、负载(RL)。

[0031] 图5中六块极板分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6，其中P1P2板和P3P4板作为发射极板，P5P6板作为接收极板，将六块极板等效为P1P2、P3P4、P5P6三个端口的电容并联电流源结构图，三个端口的等效电容大小如下式：

[0032]

[0033] 三个端口的等效电流源如下式：

[0034]

[0035] 两两端口之间形成的互容CM12、CM23、CM13由式(3)确定：

[0036]

[0037] 根据全桥整流电路与LC滤波电路串联的输入输出电压电流关系可知：

[0038]

[0039] 其中Rac为交流阻抗大小，RL为直流负载大小。

[0040] 发射端补偿电路CLC'中的电感LP1和LP2确定之后，根据耦合特性可以计算出CP1、CP2以及CE1、CE2电容值，其中CP1、CP2分别与LP1、LP2在角频率为ω时谐振，CE1与P1P2端口等效电容C1并联，CE2与P3P4端口等效电容C2并联，CE3与P5P6端口等效电容C3并联，补偿端电容CS可由下式(5)确定：

[0041]

[0042] 补偿端电感LS与CS在角频率ω下谐振，可得到LS的值为：

[0043]

[0044] 输出功率的表达式为：

[0045]

[0046] 其中I1、I2为图6中的输入端电流源，I3为输出端流过负载RL的电流。由(7)可以看出，当I1、I2同相位的时候，输出功率Pout最大。所以在设计参数时应保持输入端电压和电流同相位，使得传输功率最大。

[0047] 图7为(2k+2)块极板等效为(k+1)个端口的电容并联电流源结构图，其中P1P2端口的等效电容为C1,P3P4端口的等效电容为C2,…P2k+1P2k+2端口的等效电容为Ck+1，其电容值分别由式(1)决定：

[0048]

[0049] (k+1)个端口等效的电流源如下式：

[0050]

[0051] 两两端口之间形成的互容CM12、CM13、CM14…CM(k+1)k由式(3)确定：

[0052]

[0053] 输出功率由式(4)确定：

[0054]

[0055] 以上各式中的k＝1,2,3…K,且Cxy为两块极板形成的电容大小，x和y分别为极板的序列号，Cxy的大小由极板的尺寸以及极板之间的距离决定。Ck为第k个端口的自容，{V1、V2…Vk+1}分别为第1、2、3…(k+1)个端口的电压。CMxy为第x个端口和第y个端口之间的互容。Ixy为x和y两块极板之间形成的等效电流源大小，x和y分别为极板的序列号。

[0056] 当发射端电流同相时，输出功率最大，具有传输效率高、传输功率高、稳定性好等特点。

[0057] 图8为大功率多发射单接收的拓扑结构，依次包括连接的k个交流电流源(I1、I2…IK)、k个发射端补偿电路CLC'-π型结构Nk(CPk、LPk、CEk)、2k块发射极板、接收端2块极板、接收端补偿电路C'LC-π型结构Nk+1(CE(k+1)、LS、CS)、整流滤波电路P以及负载RL。将(2k+2)块极板看成(k+1)个端口，组成发射端和接收端的等效极板电容，交流电流源(I1、I2…Ik)、经过CLC'结构补偿电路之后，在极板上产生一个很高的电压，从而形成位移电流传输功率，P1P2、P3P4…P(2k-1)P(2k)作为发射端口将电能传向P(2k+1)P(2k+2)接收端口，接收端C'LC-π型结构补偿电路与整流滤波电路并联，整流器之后接负载。由于k个发射端之间会相互有影响，可以通过参数设计来使得两个发射端均为谐振状态，使得系统没有无功功率的输入，传输的功率均为有功功率，提高系统运行的稳定性。系统在相同容量的开关器件的条件下能够有效的提高CPT系统的输出功率，同时传输效率较高。