一种基于利用电容耦合的两极板结构的无线电能传输装置的制作方法

本发明涉及高频谐振高压电场耦合无线电能传输技术，尤其涉及到一种基于利用电容耦合的两极板结构的无线电能传输装置。
背景技术：
：电感传电技术(IPT)已经广泛的应用到电动汽车以及移动终端设备上，其传输效率已经可与传统的有线传电相媲美。然而电感传电的缺点是依赖导体介质，当空气中金属物质浓度较高时，磁场会产生电流漩涡，造成能量损失，使得温度升高，这是非常危险的。电容传电就很好的解决了这个问题。电容传电利用电场代替磁场进行电能的传输。电场在有金属障碍物的空间里传电不会造成能量损失。所以电容传电更适用于电动汽车等方面的无线电能传输。电容传电另一个优势是花费低。电容传电仅用金属板，金属板拥有良好的导电性、价格低、重量轻等优势；而电感传电的线圈要用利兹线绕制，利兹线价格较高，这十分不利于无线电能传输的普及。然而典型电容传电的电路具有以下两点不足(如图1)：随着传输距离的增大，耦合电容值变得很小，这使得系统谐振频率严重增加；且在很高频率的下，系统需要的高频电源难以制作，且高频电阻剧烈增加，从而导致系统总体效率的急速下降。因此，基于传统电容传电模型的无线输电系统难以实现较远距离的电能传输。技术实现要素：针对
背景技术：
存在的问题，本发明通过对典型电容传电的电路模型优缺点的分析，设计了一个新的电容传电电路模型。相对于传统的磁共振，本发明的优点在于结构简单，受周围介质影响较弱，且衰减速率低；相对于现有的电容传电，本发明具有传输效率高，远距离下不需要太高工作频率，具有较高的实用性的优点。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于利用电容耦合的两极板结构的无线电能传输装置，包括频率可调高频交流电源、发射端谐振系统、接收端谐振系统、极板电容C2和两个不同的接地端GND1、GND2；极板电容C2包括两个电容极板，分别为E板和F板，E板、F板正对；高频交流电源、发射端谐振系统、极板电容C2的E板和参考地GND1构成发射端；接收端谐振系统、极板电容C2的F板、负载和参考地GND2构成接收端；电能的传导方向依次为：高频交流电源、发射端谐振系统、极板电容C2的E板、极板电容C2的F板、接收端谐振系统、负载。所述的发射端谐振系统包括电感L1及调谐电容C1，高频交流电源与发射端谐振系统形成串联回路，A、B分别为电容C1的两端，极板电容C2的E板与电容C1的A端连接，A端位于电感L1及调谐电容C1之间，B端与参考地GND1连接；所述的接收端谐振系统包括电感L3及调谐电容C3，接收端谐振系统与负载形成串联回路，C、D分别为电容C3的两端，极板电容C2的F板与电容C3的C端连接，C端位于电感L3及调谐电容C3之间，D端与参考地GND2连接。所述的接收端谐振系统与负载之间设置有整流电路。所述的发射端谐振系统与接收端谐振系统均选用低内阻、高Q值的线圈系统。所述的发射端谐振系统与接收端谐振系统固有频率一致。所述的极板电容采用铝箔纸或铁板制成，但不限于上述两种材料。本发明相对电感传电具有结构简单、效率随距离延长衰减慢等特点；相对传统电容输电结构，具有远距离输电情况下能够降低工作频率且传输效率较高等优点。本发明很好的解决了电感传电对周围环境要求的限制，更适合应用到周围环境金属含量高等情况，例如高压线上不同电位的无线能量传输。附图说明图1是典型电容传电电路图；图2是本发明改进电容传电示意图；图3是本发明系统实现图；图4是本发明电容传电电路图；图5是本发明等效电路图；图6是极板电容耦合示意图。具体实施方式如图2所示，本发明包括频率可调交流电源、两组谐振系统、极板电容和两个地四部分。发射端由高频交流电源、发射端谐振系统、极板电容C2的E板和参考地GND1；接收端由接收端谐振系统、极板电容C2的F板、负载和参考地GND2组成。发射端谐振系统包括电感L1及调谐电容C1，高频交流电源与发射端谐振系统形成串联回路，极板电容C2的E板与电容C1的A端连接，电容C1的B端与参考地GND1连接；接收端谐振系统包括电感L3及调谐电容C3，接收端谐振系统与负载形成串联回路，极板电容C2的F板与电容C3的C端连接，电容C3的B端与参考地GND2连接；极板电容C2的E、F板正对。发射端与接收端为无线连接，仅通过极板电容进行能量传输。例如在高压线路中，为某种检测设备供电，可采用这种不同电位间的无线能量传输系统。发射端谐振系统在谐振状态下会在电容C1与电感L1的连接处A点产生较大的高频高压的电压，将该高频电压引到极板电容C2的E端时，极板电容与接收端参考地之间能够形成传输回路，极板电容C2的E、F两端就会产生高频电场，从而产生感应电流。在高频电场的驱动下，谐振系统产生的高频电压使得极板电容间产生高频电场，极板电容间产生快速变化的感应电流I2，感应电流I2通过接收端电容C3时，会在C3上产生同频的感应电压，并引起接收端回路C3-L3-RL的回路谐振，从而在接收端负载上产生较大的电流并消耗较大的功率。这样，发射端提供能量，接收端及负载消耗能量，实现了电能的无线传输。在本发明所涉及的系统中，传输回路中的感应电流I2幅值较小，处于mA级别，因而在传输回路中难以产生功率，因此系统对传输回路的寄生阻值要求不高，传输电容回路即便阻值很大(如5kΩ)亦不会明显影响系统的传输效率，因此在实际使用中，使用铝箔纸、铁板等常用金属材料构造极板电容即可。这也是本发明的一个重要特点。本发明的两个地GND1和GND2不一定非要接同一个地，完全可以接在不同的参考地上，但所接参考一定要稳定，所谓稳定是说当电荷在参考地流入流出时，要保证其参考电势的稳定性。两个谐振电容的低压侧分别接入稳定的参考地电位。系统接的两个参考地能够为传输回路及接收回路上高频变化的电势提供稳定的参考点，从而构造感应电流流通回路。对于高频变化的谐振高压，两个稳定的参考地之间可视为短路，在这样的连接方式下，极板电容与参考地形成回路，系统在极板电容间产生快速变化的电流，能量在极板电容间传递。步骤一高频交流电源的选取交流电源需具备以下三点特点：1)频率稳定。能够长时间稳定工作在系统的谐振频率上，并且频率的波动必须尽量的小。2)频率可调。由于绕制的线圈或生产出来的电容无法保证完全一致，系统工作环境也会有所不同，所以不同的无线能量传输系统的共振频率不可能完全相同。设计的电源需能适应不同系统，即频率必须可调。3)内阻低。为了降低高频交流电源所消耗的能量，必须选择内阻较小的电源。基于以上要求，本发明使用的交流电源由直流电源和逆变电路构成，且选用的逆变电路带有手动调节工作频率的功能，这不仅可方便直观的看到不同频率下的工作效果，也使得选用的高频交流电源适应于不同的系统。步骤二谐振系统的选取本发明选用的谐振系统电感选用低内阻、高Q值的线圈系统。线圈内阻低、Q值高，系统容易获得较大的感应电流，使得极板电容中间具有更高的电场能，同时也会降低寄生电阻带来的能量损耗。步骤三电容传电的实现如图2所示，本发明所使用的极板电容的两块极板正对，可选用如锡箔纸、铁板等简易材料，极板电容E板接电容C1的A端，与之相对应的极板电容F板接电容C2的C端，电容C1，C3的B，D端分别接地GND1和GND2。1.如图4，为本发明电容传电电路原理图。如图5，为本发明等效电路图。在高频电压驱动下，极板电容C2两端产生快速变化的高频电场，两个参考地能够为传输回路及接收回路上高频变化的电势提供稳定的参考点，从而构造感应电流流通回路。对于高频变化的谐振高压，两个稳定的参考地GND1、GND2之间可视为短路，极板电容C2与参考地形成回路，系统在极板电容间产生快速变化的电流I2，能量在极板电容间传递。如图6，为极板电容耦合示意图。实线箭头为高频电压在正半周期时，虚线箭头为高频电压在负半周期时，极板电容两极板上的电荷的迅速变换，产生快速变化的电流，从而实现能量的传输。极板电容计算公式为ε0＝8.85×10-12是真空介电常数，A为平板电容的面积，d为两平板电容的距离，极板电容的容值很小，仅是pF级就可实现通过电场耦合使能量在极板电容间传递。通过在工作频段建立基尔霍夫方程：I1(R1+jωL1+1jωC1)-I21jωC1=Vs,I11jωC1-I2(1jωC1+1jωC2+1jωC3)+I31jωC3=0,I21jωC3-I3(R3+jωL3+1jωC3)=0.]]>其中R1＝RC1+RL1+Rp，R3＝RC3+RL3+RL，Rp为电源内阻，RC1,3,RL1,3分别为谐振系统电容及电感内阻。经过推导基尔霍夫方程得出得到传输功率PO＝|I3|2RL。其中R1＝RC1+RL1+Rp，R3＝RC3+RL3+RL。本发明系统依次连接后，开启交流电源，此时系统中产生感应电流，因为高频作用，在电容和电感之间产高频电压，极板电容上随即产生感应电流。本发明所使用接收与发射谐振系统固有频率一致，能量在极板电容间传递，并驱动接收端谐振系统共振，通过整流电路对接收到的高频电能进行整流后，驱动负载工作。此时对交流电源的频率进行调节，使得系统工作在不同频率下，系统产生的感应电流，感应电动势均有所改变，负载接收到的电能也不同。为使系统可获得较高的工作性能，仅需调节工作频率使接收电流最大即可。当前第1页1 2 3