一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统。

背景技术：

无线电能传输技术以非接触的方式向用电器进行灵活、安全、可靠供电，避免了传统拔插式电能传输系统存在的接触火花、漏电等安全问题，同时解决了在一些场合下无法使用电线进行电气连接的问题。该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。

目前，无线电能传输技术有磁场耦合式和电场耦合式两种。磁场耦合式无线电能传输技术在国内外研究较多，该技术已比较成熟，在无线充电领域得到了很好的应用。但该技术用到的是特定绕制的铜线，需要大量的铜材，成本较高。同时，若有金属物处于激发的磁场周围，则会对磁场产生屏蔽作用并在金属内部产生涡流，增加损耗。

电场耦合式无线电能传输技术相对与磁场耦合式无线电能传输技术研究较晚，它依靠两对金属极板间的电场传输能量，传输机构重量轻，成本低，产生的电场对周围金属影响小。但是构成耦合机构的金属极板间的等效电容值非常小，通常在几皮法到几十皮法，为了降低极板电容的容抗，系统开关频率通常设置在mhz级，而且要使耦合极板顺利地传递能量，通常加在耦合极板两端的电压很高。

两种方式的无线电能传输系统的耦合机构的作用只是为了传递能量，为达这一目的，系统还需要另外的补偿电容或补偿电感使系统谐振，这增加了系统的元件数量。对于电场耦合式无线电能传输系统来说，较低的极板等效电容通常需要较大的电感进行补偿，而且较大感值的电感一般是难以制作的，由此增加了制作成本。同时较高的系统开关频率使得无源谐振元件承受较大的电压应力，增加了系统的安全问题。

无论是磁场耦合式还是电场耦合式无线电能传输系统，它们的耦合机构都只有一种，当此耦合机构传输大功率电能时，耦合线圈或耦合极板都要单独承受较大的功率，不利于耦合机构持续安全工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，实现耦合电感和耦合极板同时传输电能，将电能从一路通道传输扩展到两路通道传输。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，包括直流电源和高频逆变电路h，直流电源连接到高频逆变电路h的输入端；还包括整流电路r和负载rload，整流电路r的输出端连接到负载rload；还包括发射端补偿电容cp、发射端耦合电感lp、第一发射端极板、第二发射端极板、第一接收端极板、第二接收端极板、接收端耦合电感ls和接收端补偿电容cs；

高频逆变电路h的一个输出端通过发射端补偿电容cp连接到第一发射端极板，另一个输出端连接到第二发射端极板；发射端耦合电感lp的同名端连接到第一发射端极板，异名端连接到第二发射端极板；

整流电路r的一个输入端通过接收端补偿电容cs连接到第一接收端极板，另一个输入端连接到第二接收端极板；接收端耦合电感ls的异名端连接到第一接收端极板，同名端连接到第二接收端极板；

第一发射端极板与第一接收端极板耦合，第二发射端极板与第二接收端极板耦合；发射端耦合电感lp与接收端耦合电感ls耦合。

本发明的有益效果是：

1.本发明可增大系统的传输容量，提高系统安全性。本发明是一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，实现耦合电感和耦合极板同时传输电能，将电能从一路通道传输扩展到两路通道传输，相比于单个耦合机构传输电能时，本发明可提高系统安全性。

2.本发明系统结构简单，中间电路部分除了两个耦合机构外，只有两个串联补偿电容，相比于其他类似系统来说本系统元件数量大大减少。

3.本发明中的磁场耦合机构和电场耦合机构既能传输能量，又能作为彼此的补偿元件，可提高元件利用率。

4.本发明充分利用耦合电感两端较高的阻抗电压来激发交变电场以使耦合极板传递能量。系统频率较高，接近mhz级，使得耦合电感的阻抗较高，阻抗电压很大，而耦合极板传递能量需要较高的交变电压，将两种耦合机构并置连接，耦合极板便可利用耦合电感两端的交变高压顺利的传递能量。

附图说明

图1为本发明无线电能传输系统的电路结构示意图；

图2为本发明中间电路部分等效电路原理图；

图3为本发明中间电路部分电路结构图；

图4为本发明耦合电感解耦之后所得电路图；

图5为本发明图4经星-三角形变换后所得电路图；

图6为本发明中间电路部分最终简化图；

图7为本发明中间电路部分vin作用时的电路图；

图8为本发明中间电路部分vo作用时的电路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明：

如图1所示，一种磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，包括前级电路部分、中间电路部分、后级电路部分；

所述前级电路部分主要由直流电源、高频逆变电路h组成，该直流电源供给直流电压vbus，直流电压通过高频逆变电路转化为高频交流电压vin，vin为中间电路的交流输入电压；

所述中间电路部分主要由发射端补偿电容cp、发射端耦合电感lp、发射端极板1、发射端极板2、接收端补偿电容cs、接收端耦合电感ls、接受端极板3、接收端极板4组成(其中m为耦合电感lp和ls的互感)；交流电压vin输入中间电路，以交流电压vo输出后进入后级电路部分；

所述后级电路部分主要由整流电路r、电阻负载rload组成，中间电路部分的输出交流电压vo通过整流电路转化为电阻负载两端的直流电压vbat。后级电路部分还设置了cr滤波电容。

所述的磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，耦合电感lp与ls并置于中间电路部分，两电感的同名端分布于电路上下两侧，耦合电感lp的同名端与极板1相接，异名端与极板2相接，耦合电感ls的同名端与极板4相接，异名端与极板3相接。

如图2所示，所述的磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，极板1、极板2、极板3和极板4构成等效电容c1、c2、cm，等效电容c1并置于耦合电感lp两端，等效电容c2并置于耦合电感ls两端，等效电容cm串接于c1和c2之间。

所述的磁场耦合式与电场耦合式结合的无线电能传输系统，高频逆变电路h输出端串接发射端补偿电容cp，耦合电感lp并置于电路之中，其同名端同时连接cp一端和极板1，lp异名端同时连接极板2，耦合电感ls并置于电路之中，其同名端连接极板4，ls异名端同时连接接收端补偿电容cs一端和极板3，补偿电容cs接入整流电路一端；高频逆变电路右端和耦合电感ls左端电路构成谐振回路，整流电路左端和耦合电感lp右端电路构成谐振回路。

所述补偿电容cp和cs的数值通过以下方法确定：

图2为中间电路部分的等效电路图，耦合电感lp和ls的数值已知，等效电容c1和c2数值已知，原始电路结构如图3所示，图3电路经过解耦之后得到图4，图4中由三个电感构成的星形电路经过星形-三角形电路变换得到图5，图5中的l1、l2和lm为解耦之后得到的电感，电路进一步化简之后，中间电路部分可转变为图6所示的电路，l1与c1并联得到x1，l2与c2并联得到x2，lm与cm并联得到xm；其中：

根据叠加定理，当vin当独作用时，图7所示的虚线部分没有电流流过，右边回路谐振；同理，当vo单独作用时，图8所示的虚线部分没有电流流过，左边电路谐振，据系统的已知参数和谐振条件可求解补偿电容cp和cs的大小：

本发明的工作原理是：系统工作时，直流电压经过高频逆变器转变为高频交流电压。交流电压输入中间电路部分，其中流过耦合电感lp的高频交流电流在lp上激发高频交变磁场，耦合线圈ls感应出感生电动势，电能从发射端通过磁场耦合机构传递至接收端。同时，高频交流电压在极板1、极板2、极板3和极板4之间激发高频交变电场，电能从发射端通过电场耦合机构传递至接收端。中间电路部分完成交流电能的无线传输并输入整流电路，整流电路将交流电能转变为直流电能供直流负载使用。