[发明专利]基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电场耦合型无线电能传输（Electrical-field coupled power transfer）技术，简称ECPT技术，尤其涉及一种基于新型拓扑的电场耦合型无线能量传输系统及其控制方法。

背景技术

近年来，在无线电能传输技术领域，基于电场耦合技术的无线电能传输技术因其独特的优势得到了国内外许多的研究者的重视。从目前取得的研究成果可以看出，ECPT系统的耦合电极简易轻薄并且形状不受限制，系统具有较好的柔韧性并且整体的成本低；拾取电极甚至可以设计成空腔结构，副边相关的集成电路也可以包围在内部，拾取电路的设计形式多样性较强；在工作状态中电场耦合结构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；尤其是当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。基于以上的特点，利用电场耦合实现电能无线传输在一些有特殊要求的领域具有自己的优势。

纵观目前的ECPT系统，均存在传输功率低、传输距离小，传输系统不稳定等共性的问题。ECPT系统要提升传输功率与效率需采用提高耦合机构两端驱动交流电的电压与频率，降低耦合机构高频阻抗的办法,然而却存在抬高耦合机构两端高频电压用以增强电场强度以及如何降低高频开关管两端电压以满足现阶段高频电力电子器件需求这一相互制约的问题，亟待从电能变换拓扑结构根本上解决，达到两者需求矛盾的统一。并且ECPT系统能量发射电极与拾取电极的相对移动会改变电极的耦合系数。而耦合系数的时变会导致ECPT产生固有频率漂移的问题，无法保证系统稳定工作。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明首先提供一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，改变逆变电路的拓扑结构，提出一种融合高频变压器的ECPT系统的电能变换拓扑，进一步完善拓扑结构,从而解决抬高耦合机构两端高频电压，增强电场强度，提升传输距离以及如何降低高频开关管两端电压以满足现阶段高频电力电子器件需求这一相互制约问题，同时增设相应的电感补偿调谐模块，以解决耦合系数的时变导致ECPT产生固有频率漂移的问题，保证系统稳定工作。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，包括高频逆变器、高频谐振器、电场耦合机构以及电能变换环节，所述高频逆变器从电源电路中获取电能，该电能经过高频逆变和高频谐振后由所述电场耦合机构实现无线电能传输，所述电能变换环节从所述电场耦合机构中获取能量并实现对负载供电，其关键在于：

所述高频逆变器为双E类放大高频逆变器，该高频逆变器与高频谐振器之间还设置有高频变压器，所述高频谐振器上还连接有控制器，该控制器从高频谐振器中获取谐振电流和谐振电压，在控制器的输出端还连接有电感补偿调谐模块和驱动电路，控制器根据高频谐振器中的谐振电流和谐振电压改变所述电感补偿调谐模块输出的电感值，控制器还通过所述驱动电路输出PWM信号控制所述高频逆变器工作。

通过采用双E类放大高频逆变器，提高了系统的功率容量，降低开关管的电压，减少了开关损耗，通过高频变压器将高频逆变器输出的正弦波形提升为高压小电流状态，使得系统单位面积的能量传输密度大大增强，从而提升系统传输能力,减小了谐振电感体积。高压的高频交流电经过高频谐振器进行调谐，最后加载到电场耦合极板上，通过电场耦合极板产生交互电场，在交互电场作用下产生位移电流“流过”极板实现能量传输，能量接收变换环节可以将拾取电能根据用电设备的需要，经过同步整流后为不同的用电设备提供合适的直流电。当电场耦合机构中的耦合极板发生移位时，控制器可以通过调整电感补偿调谐模块的输出电感值保证系统始终处于稳定状态，同时保证高频逆变器中的开关管处于软开关状态。相对于常规的电场耦合型无线电能传输系统而言，本发明系统拓扑结构新颖、功率容量大，无线电能传输效率高，自适应能力强。