[發(fā)明專利]一種電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107733093A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱東柏;楊喆;謝非;胡法國;李建鎮(zhèn);孫佳瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: H02J50/05
• 分類號: H02J50/05;H02J50/70;H02J7/02
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務(wù)所(普通合伙)23209
• 代理人: 曹徐婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到無線能量傳輸領(lǐng)域，具體地說，是一種電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

隨著社會的進步和人們對生活的質(zhì)量及方便的追求，人們開始對各種充電設(shè)備線的雜亂無章而感到困擾，因此國內(nèi)外學(xué)者為了解決生活中遇到的問題，提出了無線能量傳輸來使各個領(lǐng)域的充電仍可以得到保障。

目前國內(nèi)研究者主要利用磁感應(yīng)或者磁諧振耦合的原理來進行傳輸，使用的近場耦合理論，但是這兩種原理在實際系統(tǒng)中應(yīng)用時都至少需要利用兩個線圈，而這兩個線圈的相對位置具有很強的同軸性，導(dǎo)致利用線圈傳輸很不靈活，同時線圈需要利用銅線繞制而成，來進行磁通引導(dǎo)，并且線圈的位置及所繞制匝數(shù)的多少和半徑的大小都會影響系統(tǒng)的傳輸效率，同時線圈的形狀也限制了整個充電系統(tǒng)的靈活性。利用線圈來進行傳輸對于不同的設(shè)備功率大小所需要的電路諧振方式不同，限制了其通用能力。

當(dāng)前的線圈傳輸是利用磁場的變化來進行傳輸功率的，對磁場的要求較高，金屬物若處于磁場范圍內(nèi)會產(chǎn)生磁屏蔽現(xiàn)象，會產(chǎn)生電磁干擾，耦合區(qū)會存在發(fā)熱問題從而限制了通過金屬屏障來進行傳輸電能的能力，進而會不能滿足傳輸要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對線圈傳輸同軸性強，傳輸范圍小等問題：提供了一種電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)及方法，利用無線能量傳輸技術(shù)來解決線圈傳輸同軸性較強而不方便、不能穿越金屬障礙物以及設(shè)備同時充電的數(shù)量受到限制的問題，本發(fā)明所提供的電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)具備體積小、位置自由度高、耦合區(qū)不存在發(fā)熱、所傳輸?shù)姆秶鷱V、能在高頻率下操作、可以進行一對多的設(shè)備進行充電的有益效果。

本發(fā)明可以采用如下系統(tǒng)來實現(xiàn)：

一種電容耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)，包括：工頻整流濾波電路模塊、緩沖電路模塊、高頻逆變電路模塊、耦合極板模塊、設(shè)備耦合電路模塊、高頻整流電路模塊、采樣模塊、相位差檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制管理模塊、驅(qū)動模塊以及電池模塊；

所述耦合極板模塊包括第一極板、第二極板、第三極板以及第四極板；所述第一極板、第二極板、第三極板、第四極板彼此間隔設(shè)置且第二極板和第三極板附著在待充電設(shè)備表面，第四極板與地面相平行放置或直接取地面作為第四極板；所述設(shè)備耦合電路模塊包括并聯(lián)耦合電路以及多路選擇開關(guān)；所述高頻整流電路模塊包括整流二極管；所述采樣模塊包括電流采樣電路和電壓采樣電路；

所述工頻整流濾波電路模塊用于將電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流濾波后轉(zhuǎn)換為直流電；所述緩沖電路模塊用于緩沖續(xù)流；所述高頻逆變電路模塊用于將所述直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電；所述耦合極板模塊用于產(chǎn)生交互電場以及位移電流；所述采樣模塊用于采集電流和電壓；所述相位差檢測模塊用于檢測電壓與電流之間的相位角；所述控制管理模塊用于控制多路選擇開關(guān)和驅(qū)動模塊；

所述工頻整流濾波電路模塊的輸入端用于連接電網(wǎng)電源，工頻整流濾波電路模塊的輸出端連接高頻逆變電路模塊的輸入端；所述高頻逆變電路模塊的輸出端輸出電流的正極與第一極板相連，輸出端輸出電流的負極與第四極板相連；所述高頻整流電路模塊的輸入端輸入電流的正極與第二極板相連，輸入端輸入電流的負極與第三極板相連；所述相位檢測模塊的輸入端連接采樣模塊，所述相位檢測模塊的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接控制管理模塊；所述控制管理模塊的輸出端連接多路選擇開關(guān)與驅(qū)動模塊。

進一步地，所述控制管理模塊基于ZigBee無線通信網(wǎng)通過驅(qū)動模塊與高頻逆變電路相連；所述采樣模塊包括電流采樣電路和電壓采樣電路，所述電流采樣電路和所述電壓采樣電路與相位差檢測模塊相連。

進一步地，所述高頻逆變電路通過單個Mosfet管與隔離變壓器相連進行逆變。

進一步地，所述的電壓采樣電路為霍爾電壓傳感器，通過霍爾電壓傳感器與待充電設(shè)備并聯(lián)來采集所充電壓的大小。

進一步地，所述的電壓采樣電路為霍爾電流傳感器，通過霍爾電流傳感器與待充電設(shè)備串聯(lián)來采集充電電流的大小。

進一步地，所述并聯(lián)耦合電路由第二極板和第三極板之間的等效耦合電容與待充電設(shè)備內(nèi)部的電感構(gòu)成，該并聯(lián)耦合電路總阻抗為Z＝j(luò)wL2-j/wC3＝j(luò)wL，最終等效為一個電感，使其該等效電感與耦合極板的等效電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。

更進一步地，所述并聯(lián)耦合電路由第二極板和第三極板之間的等效耦合電容與待充電設(shè)備內(nèi)部的電容構(gòu)成。

進一步地，所述第二極板和所述第三極板的尺寸面積取決于待充電設(shè)備的尺寸面積。

本發(fā)明采用如下方法來實現(xiàn)：