一種電場耦合式無線電能傳輸系統技術方案

本實用新型專利技術涉及一種電場耦合式無線電能傳輸系統，屬無線傳輸電技術領域。包括前級電路部分、后級電路部分、電極板部分；前級電路部分連接于市電電網部分，前級電路部分主要由濾波電路、功率因數校正電路、工頻整流電路、高頻交流逆變電路以及補償網絡組成；前級電路部分接入電網，電流經濾波、整流、逆變的過程最終產生高頻高壓電壓，供給發射極板；后級電路部分主要由補償網絡、整流電路組成；接收極板位于發射極板激發的電場之中并感應出同頻率的高頻交變電壓，高頻交變電壓經補償網絡后由整流電路整流后輸出直流電壓；電極板部分連接于前級電路和后級電路之間。本實用新型專利技術大大提高系統的安全性，傳輸功率，同時還可降低能量耗散和電磁干擾。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種電場耦合式無線電能傳輸系統，屬于無線傳輸電

技術介紹
早在1897年尼古拉.特斯拉就曾提出無線輸電的概念并注冊了二十多項技術專利，但此后無線輸電技術一直沒有得到長遠的發展，直到2007年麻省理工學院展示了一套可隔空2米傳輸60瓦功率的無線輸電系統。這激發了廣大科學家的興趣和熱情。無線輸電技術在此后有了較大的進步，但大多系統均基于磁感應或磁諧振耦合原理。這兩種系統均由發射端產生交變磁場并由電磁感應原理在接收端激發感生電流來完成能量的無線傳輸。但無論是磁感應式還是磁耦合諧振式傳輸系統，均對發射線圈和接收線圈的相對位置具有較高的要求，位置偏移將大幅降低系統的傳輸功率和效率。同時，這兩種系統的發射線圈和接收線圈均由特制銅線繞制而成，需要消耗大量的銅材，不利于資源節約。金屬物體若處于磁場范圍之內還會產生對傳輸功率的磁場產生屏蔽作用并在金屬內部產生渦流。此外，線圈需要繞制為特定的形狀還限制了無線充電系統的靈活性，不符合無線輸電系統對靈活性的追求。因此國外有學者進行了電容式無線輸電技術的研究，利用電場耦合替代磁耦合來傳輸電能。電容式系統具有更好的偏移容錯性能和更好的靈活性。但此系統需要更高的電壓(千伏級)來產生足夠強度的電場以傳輸能量，安全性成為了一個問題。同時，由于一般采用兩套極板并置，整個系統的傳輸電容進一步減小導致傳輸功率降低。泄露的電場也會對周圍的電子設備產生干擾。
技術實現思路
本技術要解決的技術問題是:本技術提供一種電場耦合式無線電能傳輸系統，用于解決改善系統的安全性問題，提高傳輸功率，減少對外界的電磁干擾。本技術技術方案是:一種電場耦合式無線電能傳輸系統，包括前級電路部分、后級電路部分、電極板部分；所述前級電路部分連接于市電電網部分，前級電路部分主要由濾波電路、功率因數校正電路、工頻整流電路、高頻交流逆變電路以及補償網絡組成；該前級電路部分接入電網，電流經濾波、整流、逆變的過程最終產生高頻高壓電壓，供給發射極板，發射極板包括發射極板Psi (3)、發射極板Ps2 (5)，發射極板用于激發高頻交變電場；所述后級電路部分連接于用電器部分，后級電路部分主要由補償網絡、整流電路組成；接收極板位于發射極板激發的電場之中并感應出同頻率的高頻交變電壓，高頻交變電壓經補償網絡后由整流電路整流后輸出直流電壓，接收極板包括接收極板Pri (4)、接收極板 Pr2 (6);所述電極板部分連接于前級電路和后級電路之間，電極板部分包括兩套電極板，每套電極板包括一塊發射極板一塊接收極板，每套電極板的兩塊極板之間構成一個等效傳輸電容，等效傳輸電容用于進行功率傳輸，兩套電極板的四塊極板構成了兩個等效傳輸電容，兩個等效傳輸電容連接關系為并置連接；所述兩套電極板中其中一套的兩塊極板之間有連接而形成連接電阻，且此電阻與該兩塊極板之間構成的等效傳輸電容并聯；所述發射極板Psi (3)、發射極板Ps2 (5)外接前級電路部分，此兩塊發射極板間形成伴隨電容C3 ;所述接收極板Pri (4)、接收極板Pr2 (6)外接后級電路部分，此兩塊接收極板間形成伴隨電容C4。所述電極板部分連接于前級電路和后級電路之間，電極板部分包括兩套電極板，兩套電極板包括發射極板Psi (3)、接收極板Pri (4)、發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)四塊極板，發射極板Psi (3)、接收極板Pri (4)之間形成一個等效傳輸電容Cl，發射極板Ps2(5)、接收極板Pr2 (6)之間形成一個等效傳輸電容C2，等效傳輸電容Cl與等效傳輸電容C2并置連接，發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)之間形成等效的連接電阻(7)，連接電阻(7)與發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)構成的等效傳輸電容C2并聯；所述發射極板Psi (3)與發射極板Ps2 (5)形成伴隨電容C3，接收極板Pri (4)與接收極板Pr2 (6)形成伴隨電容C4，伴隨電容C3兩端并聯連接補償電感I (1)，伴隨電容C4兩端并聯連接補償電感II O);伴隨電容C3兩端外接前級電路部分，伴隨電容C4兩端外接后級電路部分。所述伴隨電容C3、伴隨電容C4通過不同的極板配置和超材料的應用改變大小，與前級電路部分、后級電路部分中的補償網絡共同形成諧振電路。所述接收極板Pri (4)、接收極板Pr2 (6)兩塊極板之間采用超材料作為極板間介質。所述發射極板Ps2 ( 5 )直接接地或通過電容進行接地處理，可將系統各部分雜散電容產生的電流等集中到接地電容直接流入大地，降低了雜散電容引起的電磁干擾。所述補償網絡所用電感能使用前級電路部分、后級電路部分的變壓器單邊來作為補償電路的一部分，變壓器為隔離變壓器或高頻升/降壓變壓器。在各套電極板的兩塊極板之間，可采用超材料，即可調整電路特性，又可使用在工作頻率點上介電常數接近為零的超材料來進行電場屏蔽。進行連接并形成連接電阻7的一套極板中，其中的發射極板可以直接接地或通過接地電容進行接地處理。所述電極板部分包括一套電極板或者兩套以上電極板，即系統中的兩套發射極板可以進行擴展，即可采用多套極板或省略使用連接電阻連接的那套極板而僅采用一套收發極板傳輸電能。本技術的工作原理是:系統工作時，由前級電路產生高頻高壓交變電壓，由等效傳輸電容Cl、C2和連接電阻(7)構成的并置網絡共同傳輸功率至接收端，經整流后供給用電器。由于對于大多數無限輸電實際應用對充電極板的大小形狀都具有一定的要求，但為滿足用電器對功率等參數的要求，需要特定大小的電容電感來進行無功補償和構成諧振電路。因此本技術采用超材料作為一側極板間的介質，通過設計滿足需求的超材料來實現極板與電路部分更好的配合；采用變壓器的一邊作為補償電感來實現無功補償和構成諧振網絡。在發射邊可使用升壓變壓器進一步提高諧振電壓降低回路電流，從而可以降低連接電阻上的壓降。接收端可以使用降壓變壓器實現高壓到用電器低壓的轉換；所述電極板，在連接電阻很小時，可直接僅使用如圖5所示兩塊極板進行能量傳輸，回路電流由連接電阻流過。由于沒有另一套極板的屏蔽作用，本專利中可采用在工作頻率點介電常數為零的超材料來進行電磁屏蔽。另外，發射極板通過電容接地或直接接地，進一步降低了系統對外界的電磁干擾。所述等效傳輸電容Cl、等效傳輸電容C2、伴隨電容C3 (2)、伴隨電容C4 (8)均為極板之間形成的等效電容而不是購買的電容器元件，連接電阻7為連接過程中形成的電阻而非電阻元件。所述伴隨電容C3、C4，在采用一套電極板時(發射極板Psi (3)、接收極板Pri (4)及連接電阻7連接如圖5所示)，由于沒有發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)而無法形成。因此在采用一套極板的配置方式時，可以使用實際電容器C3、C4來組成補償網絡，且補償網絡拓撲結構無需變動。所述連接電阻7，在電動自行車的無線充電應用中，電動自行車的金屬支架可作為發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)的連接并形成連接電阻7。在電動汽車的無線充電應用中，可使用由導電橡膠制成的輪胎作為發射極板Ps2 (5)、接收極板Pr2 (6)的連接并形成連接電阻7。本技術對比已有技術具有以下創新點:1.本實用本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電場耦合式無線電能傳輸系統，其特征在于：包括前級電路部分、后級電路部分、電極板部分；?所述前級電路部分連接于市電電網部分，前級電路部分主要由濾波電路、功率因數校正電路、工頻整流電路、高頻交流逆變電路以及補償網絡組成；該前級電路部分接入電網，電流經濾波、整流、逆變的過程最終產生高頻高壓電壓，供給發射極板，發射極板包括發射極板PS1（3）、發射極板PS2（5），發射極板用于激發高頻交變電場；所述后級電路部分連接于用電器部分，后級電路部分主要由補償網絡、整流電路組成；接收極板位于發射極板激發的電場之中并感應出同頻率的高頻交變電壓，高頻交變電壓經補償網絡后由整流電路整流后輸出直流電壓，接收極板包括接收極板PR1（4）、接收極板PR2（6）；所述電極板部分連接于前級電路和后級電路之間，電極板部分包括兩套電極板，每套電極板包括一塊發射極板一塊接收極板，每套電極板的兩塊極板之間構成一個等效傳輸電容，等效傳輸電容用于進行功率傳輸，兩套電極板的四塊極板構成了兩個等效傳輸電容，兩個等效傳輸電容連接關系為并置連接；所述兩套電極板中其中一套的兩塊極板之間有連接而形成連接電阻，且此電阻與該兩塊極板之間構成的等效傳輸電容并聯；?所述發射極板PS1（3）、發射極板PS2（5）外接前級電路部分，此兩塊發射極板間形成伴隨電容C3；所述接收極板PR1（4）、接收極板PR2（6）外接后級電路部分，此兩塊接收極板間形成伴隨電容C4。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李思奇，竹立巖，
申請(專利權)人：昆明理工大學，
類型：新型
國別省市：云南;53