本发明涉及到无线能量传输领域，具体地说，是一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法。
背景技术：
随着社会的进步和人们对生活的质量及方便的追求，人们开始对各种充电设备线的杂乱无章而感到困扰，因此国内外学者为了解决生活中遇到的问题，提出了无线能量传输来使各个领域的充电仍可以得到保障。
目前国内研究者主要利用磁感应或者磁谐振耦合的原理来进行传输，使用的近场耦合理论，但是这两种原理在实际系统中应用时都至少需要利用两个线圈，而这两个线圈的相对位置具有很强的同轴性，导致利用线圈传输很不灵活，同时线圈需要利用铜线绕制而成，来进行磁通引导，并且线圈的位置及所绕制匝数的多少和半径的大小都会影响系统的传输效率，同时线圈的形状也限制了整个充电系统的灵活性。利用线圈来进行传输对于不同的设备功率大小所需要的电路谐振方式不同，限制了其通用能力。
当前的线圈传输是利用磁场的变化来进行传输功率的，对磁场的要求较高，金属物若处于磁场范围内会产生磁屏蔽现象，会产生电磁干扰，耦合区会存在发热问题从而限制了通过金属屏障来进行传输电能的能力，进而会不能满足传输要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对线圈传输同轴性强，传输范围小等问题：提供了一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法，利用无线能量传输技术来解决线圈传输同轴性较强而不方便、不能穿越金属障碍物以及设备同时充电的数量受到限制的问题，本发明所提供的电容耦合谐振式无线能量传输系统具备体积小、位置自由度高、耦合区不存在发热、所传输的范围广、能在高频率下操作、可以进行一对多的设备进行充电的有益效果。
本发明可以采用如下系统来实现：
一种电容耦合谐振式无线能量传输系统，包括：工频整流滤波电路模块、缓冲电路模块、高频逆变电路模块、耦合极板模块、设备耦合电路模块、高频整流电路模块、采样模块、相位差检测模块、a/d转换模块、控制管理模块、驱动模块以及电池模块；
所述耦合极板模块包括第一极板、第二极板、第三极板以及第四极板；所述第一极板、第二极板、第三极板、第四极板彼此间隔设置且第二极板和第三极板附着在待充电设备表面，第四极板与地面相平行放置或直接取地面作为第四极板；所述设备耦合电路模块包括并联耦合电路以及多路选择开关；所述高频整流电路模块包括整流二极管；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路；
所述工频整流滤波电路模块用于将电网电压经过整流滤波后转换为直流电；所述缓冲电路模块用于缓冲续流；所述高频逆变电路模块用于将所述直流电转换为高频交流电；所述耦合极板模块用于产生交互电场以及位移电流；所述采样模块用于采集电流和电压；所述相位差检测模块用于检测电压与电流之间的相位角；所述控制管理模块用于控制多路选择开关和驱动模块；
所述工频整流滤波电路模块的输入端用于连接电网电源，工频整流滤波电路模块的输出端连接高频逆变电路模块的输入端；所述高频逆变电路模块的输出端输出电流的正极与第一极板相连，输出端输出电流的负极与第四极板相连；所述高频整流电路模块的输入端输入电流的正极与第二极板相连，输入端输入电流的负极与第三极板相连；所述相位检测模块的输入端连接采样模块，所述相位检测模块的输出端连接a/d转换模块；所述a/d转换模块的输出端连接控制管理模块；所述控制管理模块的输出端连接多路选择开关与驱动模块。
进一步地，所述控制管理模块基于zigbee无线通信网通过驱动模块与高频逆变电路相连；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路，所述电流采样电路和所述电压采样电路与相位差检测模块相连。
进一步地，所述高频逆变电路通过单个mosfet管与隔离变压器相连进行逆变。
进一步地，所述的电压采样电路为霍尔电压传感器，通过霍尔电压传感器与待充电设备并联来采集所充电压的大小。
进一步地，所述的电压采样电路为霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器与待充电设备串联来采集充电电流的大小。
进一步地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电感构成，该并联耦合电路总阻抗为z＝jwl2-j/wc3＝jwl，最终等效为一个电感，使其该等效电感与耦合极板的等效电容构成串联谐振电路。
更进一步地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电容构成。
进一步地，所述第二极板和所述第三极板的尺寸面积取决于待充电设备的尺寸面积。
本发明采用如下方法来实现：
一种基于电容耦合谐振式无线能量传输系统实现的电容耦合谐振式无线能量传输方法，包括：
步骤一、配置电容耦合谐振式无线能量传输系统中耦合极板模块、设备耦合电路模块中所包含电路中元器件的参数值，所述元器件的参数值包括特定频率下耦合极板模块和设备耦合电路模块的等效电容值和所需电感值；
步骤二、先调节耦合极板之间的距离，然后再利用电压采样模块和电流采样模块对负载的电压、电流的大小及相位进行采样；
步骤三、由电压采样电路和电流采样电路对负载侧的实际电压和实际电流采样后，经相位差检测电路模块再送入a/d转换模块中进行处理；
步骤四、由a/d转换模块得到的数字信号送入控制管理模块，通过控制管理模块计算出相位的变化值，进而控制多路选择开关来选择不同电容进行补偿，使电容耦合谐振式无线能量传输系统保持稳定。
进一步地，所述的电压采样电路为霍尔电压传感器，通过霍尔电压传感器与待充电设备并联来采集所充电压的大小；所述的电压采样电路为霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器与待充电设备串联来采集充电电流的大小。
综上，本发明给出一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法，包括：工频整流滤波电路模块、缓冲电路模块、高频逆变电路模块、耦合极板模块、设备耦合电路模块、高频整流电路模块、采样模块、相位差检测模块、a/d转换模块、控制管理模块、驱动模块以及电池模块，通过检测耦合极板之间的电压和电流相位，由电压采样电路和电流采样电路对负载侧的实际电压和实际电流采样后经相位差检测电路再送入a/d转换电路中进行处理；并由a/d转换电路得到的数字信号送入控制管理模块，利用控制管理模块计算出相位的变化值，通过相位变化的多少，进而控制多路选择开关来选择所需要的电容进行补偿，调整电路中的谐振参数，让系统在占空比和频率都一定的情况下始终维持在稳定状态。
有益效果为：
采用电容耦合谐振实现无限能量传输，可以减小线圈感应耦合和谐振耦合中的电磁干扰问题；减小了以往笨重线圈的使用，并且可以直接利用现有的金属作为极板，利用各个设备所附的两块极板可以对设备进行充电，并且设备的移动仍然可以进行充电，提高了便携性；传输范围更广，可以实现一对多充电。
附图说明
图1为本发明提供的一种电容耦合谐振式无线能量传输系统系统实施例结构图；
图2为本发明提供的一种电容耦合谐振式无线能量传输方法实施例流程图；
图3为本发明提供的耦合极板与设备内部耦合等效电路图；
图4为本发明提供的设备内部耦合电路最终等效的电感图；
图5为本发明提供的一种电容耦合谐振式无线能量传输系统结构示例框图。
具体实施方式
本发明给出了一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：
本发明首先提供了一种电容耦合谐振式无线能量传输系统，如图1所示，包括：
工频整流滤波电路模块101、缓冲电路模块102、高频逆变电路模块103、耦合极板模块104、设备耦合电路模块105、高频整流电路模块106、采样模块107、相位差检测模块108、a/d转换模块109、控制管理模块110、驱动模块111以及电池模块112；
所述耦合极板模块104包括第一极板1041、第二极板1042、第三极板1043以及第四极板1044；所述第一极板1041、第二极板1042、第三极板1043、第四极板1044彼此间隔设置且第二极板1042和第三极板1043附着在待充电设备表面，第四极板1044与地面相平行放置或直接取地面作为第四极板；所述设备耦合电路模块105包括并联耦合电路1051以及多路选择开关1052；所述高频整流电路模块106包括整流二极管；所述采样模块107包括电流采样电路1071和电压采样电路1072；
其中，由第一极板和第二极板所等效的电容为c1，即空间电容；由第二极板和第三极板所等效的耦合电容为c3；由第三极板和第四极板所等效的电容为c2，所述的电感l2与设备上的极板等效耦合电容构成并联支路。
所述工频整流滤波电路模块101用于将电网电压经过整流滤波后转换为直流电；所述缓冲电路模块102用于缓冲续流；所述高频逆变电路模块103用于将所述直流电转换为高频交流电；所述耦合极板模块104用于产生交互电场以及位移电流；所述采样模块107用于采集电流和电压；所述相位差检测模块108用于检测电压与电流之间的相位角；所述控制管理模块110用于控制多路选择开关和驱动模块111；
所述工频整流滤波电路模块101的输入端用于连接电网电源，工频整流滤波电路模块101的输出端连接高频逆变电路模块103的输入端；所述高频逆变电路模块103的输出端输出电流的正极与第一极板1041相连，输出端输出电流的负极与第四极板1044相连；所述高频整流电路模块106的输入端输入电流的正极与第二极板1042相连，输入端输入电流的负极与第三极板1043相连；所述相位检测模块108的输入端连接采样模块107，所述相位检测模块108的输出端连接a/d转换模块109；所述a/d转换模块109的输出端连接控制管理模块110；所述控制管理模块110的输出端连接多路选择开关1052与驱动模块111。
优选地，所述控制管理模块基于zigbee无线通信网通过驱动模块与高频逆变电路相连；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路，所述电流采样电路和所述电压采样电路与相位差检测模块相连。
优选地，所述高频逆变电路通过单个mosfet管与隔离变压器相连进行逆变。
优选地，所述的电压采样电路为霍尔电压传感器，通过霍尔电压传感器与待充电设备并联来采集所充电压的大小。
优选地，所述的电压采样电路为霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器与待充电设备串联来采集充电电流的大小。
优选地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电感构成，该并联耦合电路总阻抗为z＝jwl2-j/wc3＝jwl，最终等效为一个电感，使其该等效电感与耦合极板的等效电容构成串联谐振电路。
更为优选地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电容构成。
其中，所述的工频整流滤波电路模块经过整流二极管将工频交流电整流，所述高频逆变电路模块经过开关器件将工频整流得到的直流电逆变，得到频率为ω的高频交流电，使其加在第一极板和第四极版上，将待充电设备表面极板等效的电容与电感并联部分等效为电感与电阻的串联，使其电感与耦合电容c1和c2在固有频率ω下满足ωl＝1/ωc，发生谐振，使其输入端能量传输到负载侧。
另外，如果极板之间存在错位和相对距离变化的现象，这样会导致所等效的耦合电容值发生变化，变化之后整个系统不会在固有的谐振频率下发生谐振，导致能量传输的能力下降，因此需要对耦合结构进行调谐，对于电感来说不好进行调谐，因此设置电容补偿部分，而电容补偿部分是通过多路选择开关与电感并联支路的电容构成，通过相位差变化的多少来选择对应的开关状态，进而通过相应的状态来选择相应状态下的电容，通过电容的补偿来达到谐振状态，最终使其等效电感与耦合电容在其固有频率ω下满足ωli＝1/ωci，其中i＝2…n，i表示第n次变化后的等效电感和等效电容值。
优选地，所述第二极板和所述第三极板的尺寸面积取决于待充电设备的尺寸面积。
本发明还提供了一种电容耦合谐振式无线能量传输方法实施例，如图2所示，包括：
s201、步骤一、配置电容耦合谐振式无线能量传输系统中耦合极板模块、设备耦合电路模块中所包含电路中元器件的参数值，所述元器件的参数值包括特定频率下耦合极板模块和设备耦合电路模块的等效电容值和所需电感值；
s202、步骤二、先调节耦合极板之间的距离，然后再利用电压采样模块和电流采样模块对负载的电压、电流的大小及相位进行采样；
s203、步骤三、由电压采样电路和电流采样电路对负载侧的实际电压和实际电流采样后，经相位差检测电路模块再送入a/d转换模块中进行处理；
s204、步骤四、由a/d转换模块得到的数字信号送入控制管理模块，通过控制管理模块计算出相位的变化值，进而控制多路选择开关来选择不同电容进行补偿，使电容耦合谐振式无线能量传输系统保持稳定。
优选地，所述的电压采样电路为霍尔电压传感器，通过霍尔电压传感器与设备并联来采集所充电压的大小；所述的电压采样电路为霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器与充电设备串联来采集充电电流的大小。
本发明给出一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法，包括：工频整流滤波电路模块、缓冲电路模块、高频逆变电路模块、耦合极板模块、设备耦合电路模块、高频整流电路模块、采样模块、相位差检测模块、a/d转换模块、控制管理模块、驱动模块以及电池模块，通过检测耦合极板之间的电压和电流相位，由电压采样电路和电流采样电路对负载侧的实际电压和实际电流采样后经相位差检测电路再送入a/d转换电路中进行处理；并由a/d转换电路得到的数字信号送入控制管理模块，利用控制管理模块计算出相位的变化值，通过相位变化的多少，进而控制多路选择开关来选择所需要的电容进行补偿，调整电路中的谐振参数，让系统在占空比和频率都一定的情况下始终维持在稳定状态。
以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。