[发明专利]一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及到无线能量传输领域，具体地说，是一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法。

背景技术

随着社会的进步和人们对生活的质量及方便的追求，人们开始对各种充电设备线的杂乱无章而感到困扰，因此国内外学者为了解决生活中遇到的问题，提出了无线能量传输来使各个领域的充电仍可以得到保障。

目前国内研究者主要利用磁感应或者磁谐振耦合的原理来进行传输，使用的近场耦合理论，但是这两种原理在实际系统中应用时都至少需要利用两个线圈，而这两个线圈的相对位置具有很强的同轴性，导致利用线圈传输很不灵活，同时线圈需要利用铜线绕制而成，来进行磁通引导，并且线圈的位置及所绕制匝数的多少和半径的大小都会影响系统的传输效率，同时线圈的形状也限制了整个充电系统的灵活性。利用线圈来进行传输对于不同的设备功率大小所需要的电路谐振方式不同，限制了其通用能力。

当前的线圈传输是利用磁场的变化来进行传输功率的，对磁场的要求较高，金属物若处于磁场范围内会产生磁屏蔽现象，会产生电磁干扰，耦合区会存在发热问题从而限制了通过金属屏障来进行传输电能的能力，进而会不能满足传输要求。

发明内容

本发明的目的在于针对线圈传输同轴性强，传输范围小等问题：提供了一种电容耦合谐振式无线能量传输系统及方法，利用无线能量传输技术来解决线圈传输同轴性较强而不方便、不能穿越金属障碍物以及设备同时充电的数量受到限制的问题，本发明所提供的电容耦合谐振式无线能量传输系统具备体积小、位置自由度高、耦合区不存在发热、所传输的范围广、能在高频率下操作、可以进行一对多的设备进行充电的有益效果。

本发明可以采用如下系统来实现：

一种电容耦合谐振式无线能量传输系统，包括：工频整流滤波电路模块、缓冲电路模块、高频逆变电路模块、耦合极板模块、设备耦合电路模块、高频整流电路模块、采样模块、相位差检测模块、A/D转换模块、控制管理模块、驱动模块以及电池模块；

所述耦合极板模块包括第一极板、第二极板、第三极板以及第四极板；所述第一极板、第二极板、第三极板、第四极板彼此间隔设置且第二极板和第三极板附着在待充电设备表面，第四极板与地面相平行放置或直接取地面作为第四极板；所述设备耦合电路模块包括并联耦合电路以及多路选择开关；所述高频整流电路模块包括整流二极管；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路；

所述工频整流滤波电路模块用于将电网电压经过整流滤波后转换为直流电；所述缓冲电路模块用于缓冲续流；所述高频逆变电路模块用于将所述直流电转换为高频交流电；所述耦合极板模块用于产生交互电场以及位移电流；所述采样模块用于采集电流和电压；所述相位差检测模块用于检测电压与电流之间的相位角；所述控制管理模块用于控制多路选择开关和驱动模块；

所述工频整流滤波电路模块的输入端用于连接电网电源，工频整流滤波电路模块的输出端连接高频逆变电路模块的输入端；所述高频逆变电路模块的输出端输出电流的正极与第一极板相连，输出端输出电流的负极与第四极板相连；所述高频整流电路模块的输入端输入电流的正极与第二极板相连，输入端输入电流的负极与第三极板相连；所述相位检测模块的输入端连接采样模块，所述相位检测模块的输出端连接A/D转换模块；所述A/D转换模块的输出端连接控制管理模块；所述控制管理模块的输出端连接多路选择开关与驱动模块。

进一步地，所述控制管理模块基于ZigBee无线通信网通过驱动模块与高频逆变电路相连；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路，所述电流采样电路和所述电压采样电路与相位差检测模块相连。

进一步地，所述高频逆变电路通过单个Mosfet管与隔离变压器相连进行逆变。

进一步地，所述的电压采样电路为霍尔电压传感器，通过霍尔电压传感器与待充电设备并联来采集所充电压的大小。

进一步地，所述的电压采样电路为霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器与待充电设备串联来采集充电电流的大小。

进一步地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电感构成，该并联耦合电路总阻抗为Z＝jwL2-j/wC3＝jwL，最终等效为一个电感，使其该等效电感与耦合极板的等效电容构成串联谐振电路。

更进一步地，所述并联耦合电路由第二极板和第三极板之间的等效耦合电容与待充电设备内部的电容构成。

进一步地，所述第二极板和所述第三极板的尺寸面积取决于待充电设备的尺寸面积。

本发明采用如下方法来实现：