本發(fā)明涉及高頻諧振高壓電場(chǎng)耦合無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及到一種基于利用電容耦合的兩極板結(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(dòng)汽車以及移動(dòng)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(diǎn)是依賴導(dǎo)體介質(zhì)，當(dāng)空氣中金屬物質(zhì)濃度較高時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)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(xiǎn)的。電容傳電就很好的解決了這個(gè)問題。電容傳電利用電場(chǎng)代替磁場(chǎng)進(jìn)行電能的傳輸。電場(chǎng)在有金屬障礙物的空間里傳電不會(huì)造成能量損失。所以電容傳電更適用于電動(dòng)汽車等方面的無線電能傳輸。電容傳電另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是花費(fèi)低。電容傳電僅用金屬板，金屬板擁有良好的導(dǎo)電性、價(jià)格低、重量輕等優(yōu)勢(shì)；而電感傳電的線圈要用利茲線繞制，利茲線價(jià)格較高，這十分不利于無線電能傳輸?shù)钠占啊Ｈ欢湫碗娙輦麟姷碾娐肪哂幸韵聝牲c(diǎn)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(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的電能傳輸。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)
背景技術(shù)：
存在的問題，本發(fā)明通過對(duì)典型電容傳電的電路模型優(yōu)缺點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的電容傳電電路模型。相對(duì)于傳統(tǒng)的磁共振，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受周圍介質(zhì)影響較弱，且衰減速率低；相對(duì)于現(xiàn)有的電容傳電，本發(fā)明具有傳輸效率高，遠(yuǎn)距離下不需要太高工作頻率，具有較高的實(shí)用性的優(yōu)點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于利用電容耦合的兩極板結(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(gè)不同的接地端GND1、GND2；極板電容C2包括兩個(gè)電容極板，分別為E板和F板，E板、F板正對(duì)；高頻交流電源、發(fā)射端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的E板和參考地GND1構(gòu)成發(fā)射端；接收端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的F板、負(fù)載和參考地GND2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(fù)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端與參考地GND1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(fù)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端與參考地GND2連接。所述的接收端諧振系統(tǒng)與負(fù)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(duì)電感傳電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率隨距離延長(zhǎng)衰減慢等特點(diǎn)；相對(duì)傳統(tǒng)電容輸電結(jié)構(gòu)，具有遠(yuǎn)距離輸電情況下能夠降低工作頻率且傳輸效率較高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明很好的解決了電感傳電對(duì)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，例如高壓線上不同電位的無線能量傳輸。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(jìn)電容傳電示意圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖；圖4是本發(fā)明電容傳電電路圖；圖5是本發(fā)明等效電路圖；圖6是極板電容耦合示意圖。具體實(shí)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(gè)地四部分。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板和參考地GND1；接收端由接收端諧振系統(tǒng)、極板電容C2的F板、負(fù)載和參考地GND2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端與參考地GND1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(fù)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B端與參考地GND2連接；極板電容C2的E、F板正對(duì)。發(fā)射端與接收端為無線連接，僅通過極板電容進(jìn)行能量傳輸。例如在高壓線路中，為某種檢測(cè)設(shè)備供電，可采用這種不同電位間的無線能量傳輸系統(tǒng)。發(fā)射端諧振系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下會(huì)在電容C1與電感L1的連接處A點(diǎn)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(shí)，極板電容與接收端參考地之間能夠形成傳輸回路，極板電容C2的E、F兩端就會(huì)產(chǎn)生高頻電場(chǎng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。在高頻電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)，極板電容間產(chǎn)生快速變化的感應(yīng)電流I2，感應(yīng)電流I2通過接收端電容C3時(shí)，會(huì)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(fù)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(fù)載消耗能量，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。在本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)中，傳輸回路中的感應(yīng)電流I2幅值較小，處于mA級(jí)別，因而在傳輸回路中難以產(chǎn)生功率，因此系統(tǒng)對(duì)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(huì)明顯影響系統(tǒng)的傳輸效率，因此在實(shí)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(gè)重要特點(diǎn)。本發(fā)明的兩個(gè)地GND1和GND2不一定非要接同一個(gè)地，完全可以接在不同的參考地上，但所接參考一定要穩(wěn)定，所謂穩(wěn)定是說當(dāng)電荷在參考地流入流出時(shí)，要保證其參考電勢(shì)的穩(wěn)定性。兩個(gè)諧振電容的低壓側(cè)分別接入穩(wěn)定的參考地電位。系統(tǒng)接的兩個(gè)參考地能夠?yàn)閭鬏敾芈芳敖邮栈芈飞细哳l變化的電勢(shì)提供穩(wěn)定的參考點(diǎn)，從而構(gòu)造感應(yīng)電流流通回路。對(duì)于高頻變化的諧振高壓，兩個(gè)穩(wěn)定的參考地之間可視為短路，在這樣的連接方式下，極板電容與參考地形成回路，系統(tǒng)在極板電容間產(chǎn)生快速變化的電流，能量在極板電容間傳遞。步驟一高頻交流電源的選取交流電源需具備以下三點(diǎn)特點(diǎn)：1)頻率穩(wěn)定。能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作在系統(tǒng)的諧振頻率上，并且頻率的波動(dòng)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(huì)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(jì)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。基于以上要求，本發(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(dòng)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)電感選用低內(nèi)阻、高Q值的線圈系統(tǒng)。線圈內(nèi)阻低、Q值高，系統(tǒng)容易獲得較大的感應(yīng)電流，使得極板電容中間具有更高的電場(chǎng)能，同時(shí)也會(huì)降低寄生電阻帶來的能量損耗。步驟三電容傳電的實(shí)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(duì)，可選用如錫箔紙、鐵板等簡(jiǎn)易材料，極板電容E板接電容C1的A端，與之相對(duì)應(yīng)的極板電容F板接電容C2的C端，電容C1，C3的B，D端分別接地GND1和GND2。1.如圖4，為本發(fā)明電容傳電電路原理圖。如圖5，為本發(fā)明等效電路圖。在高頻電壓驅(qū)動(dòng)下，極板電容C2兩端產(chǎn)生快速變化的高頻電場(chǎng)，兩個(gè)參考地能夠?yàn)閭鬏敾芈芳敖邮栈芈飞细哳l變化的電勢(shì)提供穩(wěn)定的參考點(diǎn)，從而構(gòu)造感應(yīng)電流流通回路。對(duì)于高頻變化的諧振高壓，兩個(gè)穩(wěn)定的參考地GND1、GND2之間可視為短路，極板電容C2與參考地形成回路，系統(tǒng)在極板電容間產(chǎn)生快速變化的電流I2，能量在極板電容間傳遞。如圖6，為極板電容耦合示意圖。實(shí)線箭頭為高頻電壓在正半周期時(shí)，虛線箭頭為高頻電壓在負(fù)半周期時(shí)，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(shí)現(xiàn)能量的傳輸。極板電容計(jì)算公式為ε0＝8.85×10-12是真空介電常數(shù)，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(jí)就可實(shí)現(xiàn)通過電場(chǎng)耦合使能量在極板電容間傳遞。通過在工作頻段建立基爾霍夫方程：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(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，因?yàn)楦哳l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(dòng)接收端諧振系統(tǒng)共振，通過整流電路對(duì)接收到的高頻電能進(jìn)行整流后，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。此時(shí)對(duì)交流電源的頻率進(jìn)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(dòng)勢(shì)均有所改變，負(fù)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