一种电场耦合式无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电场耦合式无线电能传输系统，属于无线传输电技术领域。
【背景技术】
[0002]早在1897年尼古拉.特斯拉就曾提出无线输电的概念并注册了二十多项实用新型专利，但此后无线输电技术一直没有得到长远的发展，直到2007年麻省理工学院展示了一套可隔空2米传输60瓦功率的无线输电系统。这激发了广大科学家的兴趣和热情。
[0003]无线输电技术在此后有了较大的进步，但大多系统均基于磁感应或磁谐振耦合原理。这两种系统均由发射端产生交变磁场并由电磁感应原理在接收端激发感生电流来完成能量的无线传输。
[0004]但无论是磁感应式还是磁耦合谐振式传输系统，均对发射线圈和接收线圈的相对位置具有较高的要求，位置偏移将大幅降低系统的传输功率和效率。同时，这两种系统的发射线圈和接收线圈均由特制铜线绕制而成，需要消耗大量的铜材，不利于资源节约。金属物体若处于磁场范围之内还会产生对传输功率的磁场产生屏蔽作用并在金属内部产生涡流。此外，线圈需要绕制为特定的形状还限制了无线充电系统的灵活性，不符合无线输电系统对灵活性的追求。
[0005]因此国外有学者进行了电容式无线输电技术的研究，利用电场耦合替代磁耦合来传输电能。电容式系统具有更好的偏移容错性能和更好的灵活性。但此系统需要更高的电压(千伏级)来产生足够强度的电场以传输能量，安全性成为了一个问题。同时，由于一般采用两套极板并置，整个系统的传输电容进一步减小导致传输功率降低。泄露的电场也会对周围的电子设备产生干扰。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是:本实用新型提供一种电场耦合式无线电能传输系统，用于解决改善系统的安全性问题，提高传输功率，减少对外界的电磁干扰。
[0007]本实用新型技术方案是:一种电场耦合式无线电能传输系统，包括前级电路部分、后级电路部分、电极板部分；
[0008]所述前级电路部分连接于市电电网部分，前级电路部分主要由滤波电路、功率因数校正电路、工频整流电路、高频交流逆变电路以及补偿网络组成；该前级电路部分接入电网，电流经滤波、整流、逆变的过程最终产生高频高压电压，供给发射极板，发射极板包括发射极板Psi (3)、发射极板Ps2 (5)，发射极板用于激发高频交变电场；
[0009]所述后级电路部分连接于用电器部分，后级电路部分主要由补偿网络、整流电路组成；接收极板位于发射极板激发的电场之中并感应出同频率的高频交变电压，高频交变电压经补偿网络后由整流电路整流后输出直流电压，接收极板包括接收极板Pri (4)、接收极板 Pr2 (6);
[0010]所述电极板部分连接于前级电路和后级电路之间，电极板部分包括两套电极板，每套电极板包括一块发射极板一块接收极板，每套电极板的两块极板之间构成一个等效传输电容，等效传输电容用于进行功率传输，两套电极板的四块极板构成了两个等效传输电容，两个等效传输电容连接关系为并置连接；所述两套电极板中其中一套的两块极板之间有连接而形成连接电阻，且此电阻与该两块极板之间构成的等效传输电容并联；
[0011]所述发射极板Psi (3)、发射极板Ps2 (5)外接前级电路部分，此两块发射极板间形成伴随电容C3 ;
[0012]所述接收极板Pri (4)、接收极板Pr2 (6)外接后级电路部分，此两块接收极板间形成伴随电容C4。
[0013]所述电极板部分连接于前级电路和后级电路之间，电极板部分包括两套电极板，两套电极板包括发射极板Psi (3)、接收极板Pri (4)、发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)四块极板，发射极板Psi (3)、接收极板Pri (4)之间形成一个等效传输电容Cl，发射极板Ps2(5)、接收极板Pr2 (6)之间形成一个等效传输电容C2，等效传输电容Cl与等效传输电容C2并置连接，发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)之间形成等效的连接电阻(7)，连接电阻(7)与发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)构成的等效传输电容C2并联；
[0014]所述发射极板Psi (3)与发射极板Ps2 (5)形成伴随电容C3，接收极板Pri (4)与接收极板Pr2 (6)形成伴随电容C4，伴随电容C3两端并联连接补偿电感I (1)，伴随电容C4两端并联连接补偿电感II O);伴随电容C3两端外接前级电路部分，伴随电容C4两端外接后级电路部分。
[0015]所述伴随电容C3、伴随电容C4通过不同的极板配置和超材料的应用改变大小，与前级电路部分、后级电路部分中的补偿网络共同形成谐振电路。
[0016]所述接收极板Pri (4)、接收极板Pr2 (6)两块极板之间采用超材料作为极板间介质。
[0017]所述发射极板Ps2 ( 5 )直接接地或通过电容进行接地处理，可将系统各部分杂散电容产生的电流等集中到接地电容直接流入大地，降低了杂散电容引起的电磁干扰。
[0018]所述补偿网络所用电感能使用前级电路部分、后级电路部分的变压器单边来作为补偿电路的一部分，变压器为隔离变压器或高频升/降压变压器。
[0019]在各套电极板的两块极板之间，可采用超材料，即可调整电路特性，又可使用在工作频率点上介电常数接近为零的超材料来进行电场屏蔽。
[0020]进行连接并形成连接电阻7的一套极板中，其中的发射极板可以直接接地或通过接地电容进行接地处理。
[0021]所述电极板部分包括一套电极板或者两套以上电极板，即系统中的两套发射极板可以进行扩展，即可采用多套极板或省略使用连接电阻连接的那套极板而仅采用一套收发极板传输电能。
[0022]本实用新型的工作原理是:
[0023]系统工作时，由前级电路产生高频高压交变电压，由等效传输电容Cl、C2和连接电阻(7)构成的并置网络共同传输功率至接收端，经整流后供给用电器。
[0024]由于对于大多数无限输电实际应用对充电极板的大小形状都具有一定的要求，但为满足用电器对功率等参数的要求，需要特定大小的电容电感来进行无功补偿和构成谐振电路。因此本实用新型采用超材料作为一侧极板间的介质，通过设计满足需求的超材料来实现极板与电路部分更好的配合；
[0025]采用变压器的一边作为补偿电感来实现无功补偿和构成谐振网络。在发射边可使用升压变压器进一步提高谐振电压降低回路电流，从而可以降低连接电阻上的压降。接收端可以使用降压变压器实现高压到用电器低压的转换；
[0026]所述电极板，在连接电阻很小时，可直接仅使用如图5所示两块极板进行能量传输，回路电流由连接电阻流过。由于没有另一套极板的屏蔽作用，本专利中可采用在工作频率点介电常数为零的超材料来进行电磁屏蔽。另外，发射极板通过电容接地或直接接地，进一步降低了系统对外界的电磁干扰。
[0027]所述等效传输电容Cl、等效传输电容C2、伴随电容C3 (2)、伴随电容C4 (8)均为极板之间形成的等效电容而不是购买的电容器元件，连接电阻7为连接过程中形成的电阻而非电阻元件。
[0028]所述伴随电容C3、C4，在采用一套电极板时(发射极板Psi (3)、接收极板Pri (4)及连接电阻7连接如图5所示)，由于没有发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)而无法形成。因此在采用一套极板的配置方式时，可以使用实际电容器C3、C4来组成补偿网络，且补偿网络拓扑结构无需变动。
[0029]所述连接电阻7，在电动自行车的无线充电应用中，电动自行车的金属支架可作为发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)的连接并形成连接电阻7。在电动汽车的无线充电应用中，可使用由导电橡胶制成的轮胎作为发射极板Ps2 (5)、接收极板Pr2 (6)的连接并形成连接电阻7。
[0030]本实用新型对比已有技术具有以下创新点:
[0031]1.本实用新型将一套传输极板中的两块进行连接并形成一个连接电阻，这是考虑到实际应用中用电器始终需要支撑而有条件使发射侧的极板与接收侧的极板产生连接。因此这不会降低系统的灵活性。
[0032]2.本实用新型可采用超材料作为一侧极板间的介质材料，可以调节工作频率点的介电性能来配合电路特性。
[0033]3.本实用新型可将连接有连接电阻的发射极板通过电容进行接地或直接接地。