[发明专利]复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法。

背景技术

无线电能传输技术(WirelessPowerTransfer，WPT)实现了电源到负载的无线供电，摆脱了直接电接触对设备的束缚。电场耦合无线电能传输(Electric-fieldCoupledPowerTransfer，ECPT)技术以其轻便、低辐射、耦合机构多样等优点成为无线电能传输领域新的研究热点。国内外专家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模集成电路，无线充电器及电动汽车等诸多应用领域展开研究。

但现有的ECPT系统设计大多关注单一负载的电能无线传输，关于多个负载同时工作的ECPT系统还未见相关文献报道。对于有多个负载工作的系统，其中任意一个或多个负载可能会随机变化，特别是负载的投入或切除，都将会影响系统中正在工作的负载的输出电压或电流从而造成输出的不稳定，并且会引起耦合机构的激励电压不稳定从而影响系统的传输性能。

发明内容

为了使得系统的输出电压或电流以及耦合机构激励电压不会随着负载的变化而变化，即要求系统具有负载无关性，本发明提出了一种复合谐振式ECPT系统，以系统需要恒流输出特性的应用场合为例，构建了以Π型CLC为原边谐振网络、T型CLC为副边谐振网络的适用于动态多负载的复合谐振式ECPT系统，消除了多个负载投切过程中的相互影响，具体的技术方案如下：

一种复合谐振式ECPT系统，由一个发射系统和多个拾取系统构成，所述发射系统包括整流调压电路、高频逆变电路、原边谐振网络、原边补偿电路和发射电极，所述拾取系统包括拾取电极、副边谐振网络、整流滤波电路以及用电负载，所述发射电极采用阵列式发射电极，所述拾取电极采用两块独立的电极板构成，拾取电极与发射电极之间通过电场耦合实现无线电能传输，其关键在于：所述原边谐振网络是由电容C_π1、电容C_π2以及电感L_π构成的Π型CLC网络，所述副边谐振网络是由电容C_t1、电容C_t2以及电感L_t构成的T型CLC网络；

所述Π型CLC网络中表示电感L_π的感抗，表示电容C_t1的容抗，网络的归一化角频率为1，电容C_π1与电容C_π2的容值比为1；

所述T型CLC网络中表示电感L_π的感抗，分别表示电容C_t1与电容C_t2的容抗，网络的归一化角频率λ_t为电容C_t1与电容C_t2的容值比。

针对高频逆变电路输出电流的谐波引起的环流问题，在所述高频逆变电路和原边谐振网络之间设置有谐波抑制电路，所述谐波抑制电路由电感L_f，电容C_f以及电感L_y构成，其中电感L_f与电容C_f并联形成带通滤波器连接在高频逆变电路的两个输出端之间，电感L_y串接在电容C_f与电容C_π1的一端之间。

为了保证电压和电流的倍升能力，本发明还提出了一种复合谐振式ECPT系统的参数设计方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1：选定激励电压V_π2以及工作频率f；

步骤2：设定每个拾取系统的用电负载的额定阻值R_i以及额定电流需求I_{out_i}；

步骤3：根据T型CLC网络在状态下的特性计算每个拾取系统副边谐振网络的元件参数，包括电容C_t1、电容C_t2以及电感L_t；

步骤4：根据所有拾取系统同时工作时Π型CLC网络的品质因素计算电容C_π2的容值；

步骤5：判断只有一个拾取系统工作时Π型CLC网络的品质因素Q_π-l是否使得电容C_π1的电压不低于δ谐波的电压值，如果是，则进入步骤6，否则返回步骤2调整拾取系统的用电负载R以及电流需求I_out；