本發(fā)明涉及高頻諧振高壓電場耦合無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及一種基于利用電容耦合的兩極板虛地結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸裝置。
背景技術(shù)：
：電感傳電技術(shù)(IPT)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到電動汽車以及移動終端設(shè)備上，其傳輸效率已經(jīng)可與傳統(tǒng)的有線傳電相媲美。然而電感傳電的缺點是依賴導(dǎo)體介質(zhì)，當(dāng)空氣中金屬物質(zhì)濃度較高時，磁場會產(chǎn)生電流漩渦，造成能量損失，使得溫度升高，這是非常危險的。電容傳電就很好的解決了這個問題。電容傳電利用電場代替磁場進行電能的傳輸。電場在有金屬障礙物的空間里傳電不會造成能量損失。所以電容傳電更適用于電動汽車等方面的無線電能傳輸。電容傳電另一個優(yōu)勢是花費低。電容傳電僅用金屬板，金屬板擁有良好的導(dǎo)電性、價格低、重量輕等優(yōu)勢；而電感傳電的線圈要用利茲線繞制，利茲線價格較高，這十分不利于無線電能傳輸?shù)钠占?。然而典型電容傳電的電路具有以下兩點不足(如圖1)：隨著傳輸距離的增大，耦合電容值變得很小，這使得系統(tǒng)諧振頻率嚴(yán)重增加；且在很高頻率的下，系統(tǒng)需要的高頻電源難以制作，且高頻電阻劇烈增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總體效率的急速下降。因此，基于傳統(tǒng)電容傳電模型的無線輸電系統(tǒng)難以實現(xiàn)較遠距離的電能傳輸。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明通過對典型電容傳電的電路模型優(yōu)缺點的分析，設(shè)計了一個新的電容傳電電路模型。相對于傳統(tǒng)的電感傳電，本發(fā)明的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，受周圍介質(zhì)影響較弱，且衰減速率低；具有傳輸效率高，工作頻率穩(wěn)定，受傳輸距離影響較?。灰驗橥ㄟ^極板電容的電流很小，為mA級別，所以對電容極板的阻值不敏感。因此具有較高的實用性的優(yōu)點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于利用電容耦合的兩極板虛地結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸裝置，包括頻率可調(diào)高頻交流電源、發(fā)射端諧振系統(tǒng)、接收端諧振系統(tǒng)、極板電容C2和兩個導(dǎo)體；極板電容C2包括兩個電容極板，分別為E板和F板，E板、F板正對；高頻交流電源、發(fā)射端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的E板和導(dǎo)體1構(gòu)成發(fā)射端；接收端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的F板、負載和導(dǎo)體2構(gòu)成接收端；電能的傳導(dǎo)方向依次為：高頻交流電源、發(fā)射端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的E板、極板電容C2的F板、接收端諧振系統(tǒng)、負載。所述的發(fā)射端諧振系統(tǒng)包括電感L1及調(diào)諧電容C1，高頻交流電源與發(fā)射端諧振系統(tǒng)形成串聯(lián)回路，A、B分別為電容C1的兩端，極板電容C2的E板與電容C1的A端連接，A端位于電感L1及調(diào)諧電容C1之間，B端與導(dǎo)體1連接；所述的接收端諧振系統(tǒng)包括電感L3及調(diào)諧電容C3，接收端諧振系統(tǒng)與負載形成串聯(lián)回路，C、D分別為電容C3的兩端，極板電容C2的F板與電容C3的C端連接，C端位于電感L3及調(diào)諧電容C3之間，D端與導(dǎo)體2連接。所述的接收端諧振系統(tǒng)與負載之間設(shè)置有整流電路。所述的發(fā)射端諧振系統(tǒng)與接收端諧振系統(tǒng)均選用低內(nèi)阻、高Q值的線圈系統(tǒng)。所述導(dǎo)體1和導(dǎo)體2的形狀可以相同也可以不同，且形態(tài)可多樣化，形狀包括線形或板形或塊形或球形等。所述的發(fā)射端諧振系統(tǒng)與接收端諧振系統(tǒng)固有頻率一致。所述的極板電容采用鋁箔紙或鐵板制成；但不限于上述兩種材料。本發(fā)明相對電感傳電具有結(jié)構(gòu)簡單、效率隨距離延長衰減慢等特點；相對傳統(tǒng)電容輸電結(jié)構(gòu)，遠距離輸電情況下能過降低工作頻率且傳輸效率較高等優(yōu)點。本發(fā)明很好的解決了電感傳電對周圍環(huán)境要求的限制，更適合應(yīng)用到周圍環(huán)境金屬含量高等情況，例如電動汽車無線充電，手機平板無線充電等。附圖說明圖1是典型電容傳電電路圖；圖2是本發(fā)明改進電容傳電示意圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)實現(xiàn)圖；圖4是本發(fā)明等效電路圖；圖5是極板電容耦合示意圖。具體實施方式如圖2所示，本發(fā)明包括頻率可調(diào)交流電源、兩組諧振系統(tǒng)、極板電容和兩個導(dǎo)體四部分。發(fā)射端由高頻交流電源、發(fā)射端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的E板和導(dǎo)體1組成；接收端由接收端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的F板、導(dǎo)體2和負載組成。發(fā)射端諧振系統(tǒng)包括電感L1及調(diào)諧電容C1，高頻交流電源與發(fā)射端諧振系統(tǒng)形成串聯(lián)回路，極板電容C2的E板與電容C1的A端連接，電容C1的B端與導(dǎo)體1連接；接收端諧振系統(tǒng)包括電感L3及調(diào)諧電容C3，接收端諧振系統(tǒng)與負載形成串聯(lián)回路，極板電容C2的F板與電容C3的C端連接，電容C3的D端與導(dǎo)體2連接；極板電容C2的E、F板正對。發(fā)射端與接收端為無線連接，僅通過極板電容進行能量傳輸。導(dǎo)體1、導(dǎo)體2相對于無窮遠處相當(dāng)于兩個接地電容。高頻振蕩系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下會在電容C1與電感L1的連接處A點產(chǎn)生較大的高頻高壓的電壓，將該高頻電壓引到極板電容C2的E端時，極板電容與導(dǎo)體1、導(dǎo)體2的兩個對地電容形成回路，極板電容C2的E、F兩端就會產(chǎn)生高頻電場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。在高頻電場的驅(qū)動下，諧振系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電壓使得極板電容間產(chǎn)生高頻電場，極板電容間產(chǎn)生快速變化的感應(yīng)電流I2，通過接收端電容C3時，會在C3上產(chǎn)生同頻的感應(yīng)電壓，并引起接收端回路C3-L3-RL的回路諧振，從而在接收端負載上產(chǎn)生較大的電流并消耗較大的功率。這樣，發(fā)射端提供能量，接收端及負載消耗能量，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。在本發(fā)明中，傳輸回路中的感應(yīng)電流I2幅值較小，處于mA級別，因而在傳輸回路中難以產(chǎn)生功率，因此系統(tǒng)對傳輸回路的寄生阻值要求不高，傳輸電容回路即便阻值很大(如5kΩ)亦不會明顯影響系統(tǒng)的傳輸效率，因此在實際使用中，使用鋁箔紙、鐵板等常用金屬材料構(gòu)造極板電容即可。這也是本發(fā)明的一個重要特點。本發(fā)明中，極板電容C2的容值很小，約在3～6pF，導(dǎo)體1、導(dǎo)體2的對于無窮遠處的虛地電容約在30～60pF，在極板電容與虛地電容形成的回路中，虛地電容相對于極板電容的容值較大，因此虛地電容對系統(tǒng)傳輸效率不產(chǎn)生主要影響，能量主要在極板電容間傳遞。虛地電容的構(gòu)造方式有很多種，可以采用線、板、塊、球等的孤立導(dǎo)體來構(gòu)造虛地電容。步驟一高頻交流電源的選取交流電源需具備以下三點特點：1)頻率穩(wěn)定。能夠長時間穩(wěn)定工作在系統(tǒng)的諧振頻率上，并且頻率的波動必須盡量的小。2)頻率可調(diào)。由于繞制的線圈或生產(chǎn)出來的電容無法保證完全一致，系統(tǒng)工作環(huán)境也會有所不同，所以不同的無線能量傳輸系統(tǒng)的共振頻率不可能完全相同。設(shè)計的電源需能適應(yīng)不同系統(tǒng)，即頻率必須可調(diào)。3)內(nèi)阻低。為了降低高頻交流電源所消耗的能量，必須選擇內(nèi)阻較小的電源?；谝陨弦螅景l(fā)明使用的交流電源由直流電源和逆變電路構(gòu)成，且選用的逆變電路帶有手動調(diào)節(jié)工作頻率的功能，這不僅可方便直觀的看到不同頻率下的工作效果，也使得選用的高頻交流電源適應(yīng)于不同的系統(tǒng)。步驟二諧振系統(tǒng)的選取本發(fā)明選用的諧振系統(tǒng)選用低內(nèi)阻、高Q值的線圈系統(tǒng)。線圈內(nèi)阻低，系統(tǒng)獲得較大的感應(yīng)電流，當(dāng)對于高內(nèi)阻產(chǎn)生更高的電勢，使得極板電容中間具有更高的電場能。當(dāng)線圈內(nèi)阻一定時，選用高Q值的線圈可以降低系統(tǒng)阻抗的有功功率消耗，從而得到較高的傳輸效率。步驟三電容傳電的實現(xiàn)如圖2所示，本發(fā)明所使用的極板電容的兩塊極板正對，可選用如錫箔紙、鐵板等簡易材料，極板電容E板接電容C1的A端，與之相對應(yīng)的極板電容F板接電容C3的C端，電容C1，C3的B，D端分別接地導(dǎo)體1和導(dǎo)體2。如圖4為本發(fā)明等效電路圖。本發(fā)明中諧振電容兩端與導(dǎo)體相連接，導(dǎo)體與無窮遠處構(gòu)成電容，這相當(dāng)于由極板電容C2與兩串聯(lián)連接的虛地電容Cg1,Cg2形成傳輸回路，使極板電容C2中產(chǎn)生感應(yīng)電流I2，但兩導(dǎo)體間并不能進行能量傳輸，若導(dǎo)體與無窮遠處構(gòu)成的電容的容值很小，導(dǎo)體的等效容抗將很大，因此導(dǎo)體的等效容值越低，消耗在導(dǎo)體上的能量越多，通過極板電容傳遞的能量越少，傳輸效率越低或根本不足以驅(qū)動負載工作，因此需選擇等效電容較大的導(dǎo)體。空氣中半徑為R的孤立導(dǎo)體球，相對于無窮遠處的電容計算公式為Cg＝4πε0R，其中ε0＝8.85×10-12是真空介電常數(shù)，R為導(dǎo)體球半徑。當(dāng)導(dǎo)體中電荷的改變量為Δq時，其電勢改變量為孤立導(dǎo)體球在電荷改變時，電荷改變較為明顯，不利于系統(tǒng)工作，因此需選用電勢改變量小，等效電容的容值大的形狀的導(dǎo)體。如圖5，為極板電容示意圖。實線箭頭為高頻電壓在正半周期時，虛線箭頭為高頻電壓在負半周期時，極板電容兩極板上的電荷的迅速變換，產(chǎn)生快速變化的電流，從而實現(xiàn)能量的傳輸。極板電容計算公式為A為平板電容的面積，d為兩平板電容的距離，極板電容的容值很小，僅是pF級就可實現(xiàn)通過電場耦合使能量在極板電容間傳遞。高頻振蕩系統(tǒng)在諧振頻率下，導(dǎo)體相對于無窮遠處具有較大的電容，能量從極板電容間傳遞，從而驅(qū)動負載工作。通過在工作頻段建立基爾霍夫方程：I1(R1+jωL1+1jωC1)-I21jωC1=Cs,I11jωC1-I2(1jωC1+1jωC2+1jωCg1+1jωCg2+1jωC3)+I31jωC3=0,I21jωC3-I3(R3+jωL3+1jωC3)=0.]]>其中R1＝RC1+RL1+Rp，R3＝RC3+RL3+RL，Rp為電源內(nèi)阻，RC1,3,RL1,3分別為諧振系統(tǒng)電容及電感內(nèi)阻。經(jīng)過推導(dǎo)基爾霍夫方程得出得到傳輸功率PO＝|I3|2RL。其中R1＝RC1+RL1+Rp，R3＝RC3+RL3+RL。本發(fā)明系統(tǒng)依次連接后，開啟交流電源，此時系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，因為高頻作用，在電容和電感之間產(chǎn)高頻電壓，極板電容上隨即產(chǎn)生感應(yīng)電流。本發(fā)明所使用接收與發(fā)射諧振系統(tǒng)固有頻率一致，能量在極板電容間傳遞，并驅(qū)動接收端諧振系統(tǒng)共振，通過整流電路對接收到的高頻電能進行整流后，驅(qū)動負載工作。此時對交流電源的頻率進行調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)工作在不同頻率下，系統(tǒng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢均有所改變，負載接收到的電能也不同。為使系統(tǒng)可獲得較高的工作性能，僅需調(diào)節(jié)工作頻率使接收電流最大即可。當(dāng)前第1頁1 2 3