本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術(shù)借助磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光、超聲波等介質(zhì)，并綜合利用了電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論以實(shí)現(xiàn)電能從電源向用電設(shè)備的無線傳輸。目前已經(jīng)應(yīng)用到了電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域。電場(chǎng)耦合無線電能傳輸(ECPT)技術(shù)利用高頻電場(chǎng)作為電能無線傳輸?shù)妮d體，擺脫了傳統(tǒng)導(dǎo)體連接的束縛，是一種靈活、便捷的供電方式。由于ECPT系統(tǒng)具有耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易輕薄、對(duì)周圍導(dǎo)體沒有渦流效應(yīng)、電磁兼容性較好以及可穿透金屬傳輸能量等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前對(duì)于ECPT技術(shù)的研究主要集中在耦合機(jī)構(gòu)特性，軟開關(guān)特性，電路拓?fù)?，能量信?hào)并行傳輸，傳輸性能優(yōu)化等方面。

目前的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法主要圍繞系統(tǒng)的傳輸功率或者效率進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有考慮到安全性的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，由于ECPT系統(tǒng)耦合極板電壓會(huì)達(dá)到數(shù)百伏甚至上千伏，其安全性問題非常引人關(guān)注，特別是耦合極板周圍的金屬導(dǎo)體由于電容耦合會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓，人體若觸摸該導(dǎo)體則可能存在觸電的危險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外也沒有專門針對(duì)ECPT系統(tǒng)安全性進(jìn)行研究的文獻(xiàn)，但在高壓輸電領(lǐng)域，不少學(xué)者專家都頗為關(guān)注高壓輸電線路下方金屬物體產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓以及人體接觸該物體時(shí)產(chǎn)生的電擊效應(yīng)，其研究成果對(duì)于ECPT系統(tǒng)的安全性研究有借鑒意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)通過提供一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在保證系統(tǒng)安全性的前提下，同時(shí)滿足系統(tǒng)期望的傳輸功率和效率。

為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

S1：構(gòu)建全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)，包括直流電壓源U_dc、由開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₂、開關(guān)管S₃及開關(guān)管S₄構(gòu)成的高頻逆變電路、補(bǔ)償電感L_s1、補(bǔ)償電感L_s2、由兩對(duì)耦合極板構(gòu)成的耦合單元、整流濾波電路以及負(fù)載R_L，其中，所述補(bǔ)償電感L_s1的一端連接所述高頻逆變電路的第一輸出端，所述補(bǔ)償電感L_s1的另一端連接一塊發(fā)射極板，所述補(bǔ)償電感L_s2的一端連接所述高頻逆變電路的第二輸出端，所述補(bǔ)償電感L_s2的另一端連接另一塊發(fā)射極板，所述整流濾波電路的第一輸入端連接一塊接收極板，所述整流濾波電路的第二輸入端連接另一塊接收極板，發(fā)射極板與接收極板一一對(duì)應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸，在所述整流濾波電路的兩個(gè)輸出端之間連接所述負(fù)載R_L；

S2：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求確定該系統(tǒng)的初始工作頻率f₀、耦合單元的等效電容C_s、負(fù)載R_L、品質(zhì)因數(shù)Q以及耦合極板與周圍金屬導(dǎo)體構(gòu)成的等效電容C_eq；

S3：計(jì)算滿足安全性約束條件的最大輸入電壓U_dc；

S4：計(jì)算滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸功率P₀；

S5：判斷是否滿足功率約束條件，即判斷是否滿足P₀＞P*，其中，P*為實(shí)際要求的輸出功率，如果滿足，則進(jìn)入步驟S6，否則，增加系統(tǒng)的工作頻率f后跳轉(zhuǎn)至步驟S4；

S6：計(jì)算補(bǔ)償電感L_s1、補(bǔ)償電感L_s2以及滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸效率η；

S7：判斷是否滿足效率約束條件，即判斷是否滿足η＞η*，其中，η*為實(shí)際要求的傳輸效率，如果滿足，則進(jìn)入步驟S8，否則，增加系統(tǒng)的工作頻率f后跳轉(zhuǎn)至步驟S6；

S8：判斷是否滿足安全性約束條件，如果是，則進(jìn)入步驟S9，否則，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；

S9：確定當(dāng)前的輸入電壓U_dc、工作效率f、補(bǔ)償電感L_s1以及補(bǔ)償電感L_s2為系統(tǒng)參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述安全性約束條件為：

式中，品質(zhì)因數(shù)Q＝ωL_s/R＝1/RωC_s，L_s＝2L_s1＝2L_s2，C_s＝C_s1/2＝C_s2/2，R＝R_Ls+R_Cs+R_ac，R_Ls為補(bǔ)償電感的等效串聯(lián)電阻，R_Cs為耦合極板電容的等效串聯(lián)電阻，R_ac為整流濾波電路與負(fù)載電阻的等效電阻，d_iso為極板外側(cè)絕緣層的厚度，d_air為金屬薄板與極板絕緣層之間氣隙的距離，S為金屬薄板與極板的正對(duì)面積，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)，Z_m為人體阻抗，U_break為空氣的擊穿電壓。

進(jìn)一步地，步驟S3中根據(jù)以下公式計(jì)算最大輸入電壓

進(jìn)一步地，步驟S4中根據(jù)以下公式計(jì)算系統(tǒng)的最大傳輸功率式中，A_res為諧振時(shí)電壓放大倍數(shù)，γ為等效電容的介質(zhì)損耗正切值。

進(jìn)一步地，步驟S6中根據(jù)以下公式計(jì)算系統(tǒng)的最大傳輸效率式中，P_lo_ss為損耗功率，補(bǔ)償電感L_s1與補(bǔ)償電感L_s2根據(jù)諧振條件1-ω²L_sC_s＝0，L_s＝2L_s1＝2L_s2計(jì)算得到。

進(jìn)一步地，先利用LCR檢測(cè)儀測(cè)量補(bǔ)償電感L_s1和補(bǔ)償電感L_s2的內(nèi)阻值，再采用MATLAB擬合出R_Ls的函數(shù)f(ω,C_s)。

進(jìn)一步地，在耦合電容C_s確定的情況下，根據(jù)諧振條件并利用LCR檢測(cè)儀測(cè)量不同頻率f下補(bǔ)償電感L_s1和補(bǔ)償電感L_s2的內(nèi)阻值，再采用MATLAB擬合出R_Ls的函數(shù)f(ω,C_s)。

進(jìn)一步地，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定的三元件阻抗模型，人體阻抗Z_m，等效為電阻R_s與電容C_p并聯(lián)后再與電阻R_b串聯(lián)，其中，R_s＝1500Ω，C_p＝0.22μF，R_b＝500Ω。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在保證安全性前提下，同時(shí)滿足系統(tǒng)傳輸功率和效率要求。

附圖說明

圖1為全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)主電路拓?fù)洌?/p>

圖2為全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)的兩種工作模態(tài)；

圖3為兩種工作模態(tài)下極板P1的電壓示意圖；

圖4為金屬導(dǎo)體垂直放置于耦合極板外側(cè)的等效模型；

圖5為人體阻抗模型；

圖6為不同頻率下金屬導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電壓U₀及極板間電壓ΔU的曲線圖；

圖7為不同耦合電容C_s下，R_Ls與f的關(guān)系曲線圖；

圖8為不同耦合電容C_s下，dA_res/dω與f的關(guān)系曲線圖；

圖9為傳輸功率P₀、傳輸效率η與頻率f的關(guān)系曲線圖；

圖10為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖；

圖11為不同Q值下四塊極板電壓曲線圖；

圖12為P1極板與P2極板電壓波形圖；

圖13為不同耦合極板上方金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓示意圖；

圖14為驅(qū)動(dòng)電壓及負(fù)載電壓與金屬薄板靜電感應(yīng)電壓波形。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)實(shí)施例通過提供一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在滿足系統(tǒng)期望的傳輸功率和效率的同時(shí)，保證ECPT系統(tǒng)的安全性，特別是人體觸摸放置于耦合極板上方的金屬導(dǎo)體時(shí)可能存在觸電危險(xiǎn)的技術(shù)問題。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式，對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例

一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

S1：構(gòu)建全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)，包括直流電壓源U_dc、由開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₂、開關(guān)管S₃及開關(guān)管S₄構(gòu)成的高頻逆變電路、補(bǔ)償電感L_s1、補(bǔ)償電感L_s2、由兩對(duì)耦合極板構(gòu)成的耦合單元、整流濾波電路以及負(fù)載R_L，其中，所述補(bǔ)償電感L_s1的一端連接所述高頻逆變電路的第一輸出端，所述補(bǔ)償電感L_s1的另一端連接一塊發(fā)射極板，所述補(bǔ)償電感L_s2的一端連接所述高頻逆變電路的第二輸出端，所述補(bǔ)償電感L_s2的另一端連接另一塊發(fā)射極板，所述整流濾波電路的第一輸入端連接一塊接收極板，所述整流濾波電路的第二輸入端連接另一塊接收極板，發(fā)射極板與接收極板一一對(duì)應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸，在所述整流濾波電路的兩個(gè)輸出端之間連接所述負(fù)載R_L；

S2：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求確定該系統(tǒng)的初始工作頻率f₀、耦合單元的等效電容C_s、負(fù)載R_L、品質(zhì)因數(shù)Q以及耦合極板與周圍金屬導(dǎo)體構(gòu)成的等效電容C_eq；

S3：計(jì)算滿足安全性約束條件的最大輸入電壓U_dc；

S4：計(jì)算滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸功率P₀；

S5：判斷是否滿足功率約束條件，即判斷是否滿足P₀＞P*，其中，P*為實(shí)際要求的輸出功率，如果滿足，則進(jìn)入步驟S6，否則，增加系統(tǒng)的工作頻率f后跳轉(zhuǎn)至步驟S4；

S6：計(jì)算補(bǔ)償電感L_s1、補(bǔ)償電感L_s2以及滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸效率η；

S7：判斷是否滿足效率約束條件，即判斷是否滿足η＞η*，其中，η*為實(shí)際要求的傳輸效率，如果滿足，則進(jìn)入步驟S8，否則，增加系統(tǒng)的工作頻率f后跳轉(zhuǎn)至步驟S6；

S8：判斷是否滿足安全性約束條件，如果是，則進(jìn)入步驟S9，否則，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；

S9：確定當(dāng)前的輸入電壓U_dc、工作效率f、補(bǔ)償電感L_s1以及補(bǔ)償電感L_s2為系統(tǒng)參數(shù)。

下面將具體分析參數(shù)設(shè)計(jì)的原理。

圖1為常見的全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)主電路拓?fù)?。四塊耦合極板P1～P4分別置于系統(tǒng)的電能發(fā)送端和接收端。在電能發(fā)送端，直流電壓源U_dc為整個(gè)系統(tǒng)提供電能輸入，四個(gè)開關(guān)管S₁～S₄構(gòu)成全橋逆變電路，可將直流電壓逆變?yōu)楦哳l方波電壓。在電能接收端，整流濾波電路由四個(gè)二極管VD1～VD4以及濾波電容C，可將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓提供給負(fù)載電阻R_L。補(bǔ)償電感L_s1與補(bǔ)償電感L_s2和四塊極板構(gòu)成的耦合電容C_s1、C_s2共同組成了串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。R_Ls為補(bǔ)償電感的等效串聯(lián)電阻，R_Cs為耦合極板電容的等效串聯(lián)電阻。

在電能接收端，帶有濾波電容的整流濾波電路與負(fù)載電阻可等效為負(fù)載

R_ac＝(8/π²)R_L (1)

根據(jù)兩組開關(guān)管(S₁，S₄)和(S₂，S₃)的導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)有兩種工作模態(tài)，如圖2所示。如圖2(a)所示，在模態(tài)1，開關(guān)管(S₁，S₄)導(dǎo)通，(S₂，S₃)關(guān)斷，此時(shí)補(bǔ)償電感L_s1與直流電源相連，補(bǔ)償電感L_s2接地，電流正向流經(jīng)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。如圖2(b)所示，在模態(tài)2，開關(guān)管(S₂，S₃)導(dǎo)通，(S₁，S₄)關(guān)斷。此時(shí)補(bǔ)償電感L_s2與直流電源相連，補(bǔ)償電感L_s1接地，電流反向流經(jīng)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

由于ECPT系統(tǒng)的觸電安全性問題主要來自于帶有高電壓的耦合極板能使放置于周圍的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓，因此極板對(duì)地電壓的推導(dǎo)與分析非常必要。ECPT系統(tǒng)有兩種工作模態(tài)，耦合極板的對(duì)地電壓也應(yīng)當(dāng)分為兩種模態(tài)，如圖3所示，極板P1電壓u_P1在兩個(gè)模態(tài)下分別等于圖3(a)中的電壓u_bf與圖3(b)中的電壓u_ba。由于補(bǔ)償電感L_s1、補(bǔ)償電感L_s2、耦合電容C_s1、C_s2構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，能夠有效濾除高次的諧波電流與諧波電壓，因此流過諧振網(wǎng)絡(luò)的電流i_r可以近似為基波頻率的正弦波電流。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)R_Ls和R_Cs都處于電能的接收端。

兩個(gè)模態(tài)下諧振網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓u_af可以表示為：

根據(jù)基波近似法,流過諧振網(wǎng)絡(luò)的電流i_r可以表示為：

式中，R＝R_Ls+R_Cs+R_ac，由于u_bf可以表示為：u_bf＝u_be+u_ef (4)

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，u_be可以表示為：

式中，Q＝ωL_s/R＝1/RωC_s，L_s＝2L_s1＝2L_s2，C_s＝C_s1/2＝C_s2/2，又因?yàn)閡_ab＝u_ef＝(u_af-u_be)/2，所以有

在模態(tài)1，極板P1電壓u_bf為：

在模態(tài)2，極板P1電壓u_ba為：

采用同樣的方法，可以得到四塊耦合極板在兩個(gè)模態(tài)下的電壓如表1所示。

表1兩個(gè)模態(tài)下ECPT系統(tǒng)極板電壓

根據(jù)表1可知，四塊耦合極板的電壓都是帶有直流成分的正弦波。其中極板P2和P4的電壓僅由輸入電壓決定，極板P1和P3的電壓還與諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q較高時(shí)，極板電壓可能出現(xiàn)高于輸入電壓數(shù)倍的情況，因此，對(duì)于品質(zhì)因數(shù)較高的ECPT系統(tǒng)安全性分析顯得尤為重要。

圖4為金屬導(dǎo)體放置于耦合極板外側(cè)時(shí)的等效模型。由于耦合極板與周圍的金屬導(dǎo)體也存在電容耦合，使得金屬導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生一定的靜電感應(yīng)電壓，同時(shí)金屬導(dǎo)體也通過雜散電容C₀與大地形成耦合，C_eq表示金屬導(dǎo)體與耦合極板形成的等效電容，U_p和U₀分別表示耦合極板電壓和金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓，U_p和U₀都是對(duì)地電壓，Z_m表示人體阻抗。人體阻抗模型采用國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定的三元件阻抗模型如圖5所示。

放置于耦合極板上方的金屬導(dǎo)體如果是剪刀或水杯等不規(guī)則導(dǎo)體，對(duì)于等效電容的計(jì)算可以通過有限元仿真進(jìn)行求解，本發(fā)明為了簡(jiǎn)化分析，采用金屬薄板近距離平行放置于耦合極板上方，此時(shí)金屬薄板與耦合極板構(gòu)成的等效電容可以根據(jù)平板電容器計(jì)算公式計(jì)算得到：

式中，d_iso為極板外側(cè)絕緣層的厚度，d_air為金屬薄板與極板絕緣層之間氣隙的距離，S為金屬薄板與極板的正對(duì)面積，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)。

根據(jù)圖4，當(dāng)人體接觸金屬導(dǎo)體時(shí)，可等效為Z_m與C₀并聯(lián)后再與C_eq串聯(lián)接入耦合極板。根據(jù)表1可知，極板電壓均為帶有直流分量的正弦波，由于等效電容C_eq能夠消除直流分量的影響，因此金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓為

由于金屬導(dǎo)體與大地之間的雜散電容C₀通常很小，一般只有10pF左右，所以ωZ_mC₀＜＜1，故可以忽略C₀對(duì)于U₀的影響，僅考慮Z_m與C_eq串聯(lián)后與耦合極板相連的情形，金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)式(11)與表1，可以得到放置于不同極板上方的金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓的峰值，如表2所示。

表2.放置于不同極板上方的金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓

表中，

根據(jù)表2，放置于極板P2和P4上方的金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓由直流輸入電壓U_dc與Δ決定，放置于極板P1和P3上方的金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓還與電路品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，在相同Δ的條件下，放置于P1和P3上方的金屬導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電壓會(huì)增大倍。

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定的電壓安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)電壓頻率高100KHz時(shí)，人體模型中R_b兩端電壓峰值的應(yīng)當(dāng)小于35V，本發(fā)明以該電壓作為金屬導(dǎo)體的安全靜電感應(yīng)電壓限值。根據(jù)表2并考慮最嚴(yán)重情況，可以得到全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)需要滿足的安全性約束條件為：

直流輸入電壓的安全性約束條件為：

當(dāng)品質(zhì)因數(shù)過高時(shí)，耦合極板之間的電壓ΔU也會(huì)很高，甚至出現(xiàn)介質(zhì)擊穿的情況，這也是ECPT系統(tǒng)安全性應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題。由表1可以得到兩塊耦合極板間的電壓峰值為2QU_dc/π，故在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q進(jìn)行合理地限定。對(duì)于全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)而言，當(dāng)極板電容與負(fù)載電阻都確定之后，提升頻率有助于減小極板電壓ΔU。假設(shè)兩極板間的介質(zhì)為空氣，為了避免擊穿的情況，需要滿足：

式中，U_break為空氣的擊穿電壓，該電壓值與極板距離、空氣濕度、空氣密度都有關(guān)系，由式(14)與平板電容器公式可以得到系統(tǒng)頻率需要滿足的條件：

式(15)中S和d分別為耦合極板面積與距離，U_break/d表示擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在正常大氣情況下約為3KV/mm。圖6給出了不同頻率下金屬導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電壓U₀以及極板間電壓ΔU情況，其中，U_dc＝50V，C_eq＝100pF，C_s＝500pF，R＝20Ω。

由圖6可知，頻率的變化對(duì)金屬導(dǎo)體靜電感應(yīng)電壓的影響不大，這是由于頻率的改變會(huì)同時(shí)改變?chǔ)づcQ，使得對(duì)靜電感應(yīng)電壓U₀的影響相互抵消，但頻率的提升對(duì)于降低耦合極板間的電壓十分有益，能夠增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。

在保證系統(tǒng)安全性的同時(shí)要使系統(tǒng)傳輸?shù)墓β首畲蠡?，根?jù)圖3可知，需要R_ac兩端電壓U_ac越大越好。定義電壓放大倍數(shù)A＝|U_ac/U_af|，顯然，A值越大，系統(tǒng)的輸出功率越大。

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，補(bǔ)償電感需要滿足：

式(16)中R_Cs可表示為ω的函數(shù)：

γ為等效電容的介質(zhì)損耗正切值。在高頻情形下，電感的損耗同樣不可忽視，R_Ls可近似表示為ω與L_s的函數(shù)，根據(jù)式(17)可轉(zhuǎn)變?yōu)榕cω和C_s的函數(shù)

R_Ls＝f(ω,C_s) (19)

將式(17)(18)(19)帶入式(16)可得到諧振時(shí)的電壓放大倍數(shù)為：

為了求取最大的電壓放大倍數(shù)，可以對(duì)A_res進(jìn)行求導(dǎo)dA_res/dω，但由于磁芯的差異以及繞線方式的不同將很難得出式(20)的解析表達(dá)式，因此本實(shí)施例采用的方法是先采用LCR檢測(cè)儀直接測(cè)量補(bǔ)償電感的內(nèi)阻值，再擬合出函數(shù)f(ω,C_s)，來獲取A_res的導(dǎo)數(shù)，圖7為采用MICROMETALS公司的高頻環(huán)形2型鐵粉芯，在C_s為500pF和1nF的情況下，R_Ls與f的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線。式(21)為采用MATLAB擬合出的函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)該式可以得到dA_res/dω在頻率為100KHz到1MHz的范圍內(nèi)變化時(shí)始終為正值，如圖8所示，提升頻率有助于增大A_res。

根據(jù)式(13)與式(20)可以得到在滿足安全性條件下系統(tǒng)的傳輸功率為：

系統(tǒng)傳輸?shù)男士梢员硎緸椋?/p>

損耗的功率P_lo_ss可以表示為：

于是可以得到全橋串聯(lián)型ECPT系統(tǒng)頻率改變對(duì)于傳輸功率與效率的影響，如圖9所示，增大系統(tǒng)的頻率有助于提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率，但是當(dāng)頻率提升到一定范圍后，對(duì)于功率和效率的提升效果就不再那么明顯了。根據(jù)式(21)(24)還可以發(fā)現(xiàn)，增大極板耦合電容同樣可以減小功率損耗，提高系統(tǒng)的效率。

從上述分析中可知，對(duì)于全橋串聯(lián)諧振式ECPT系統(tǒng)，增大耦合電容C_s能夠減小靜電感應(yīng)電壓提升安全性，并且有助于提高效率。增加系統(tǒng)運(yùn)行頻率能夠減小耦合極板間的電壓，同時(shí)對(duì)于功率和效率的提升都有幫助，但是對(duì)靜電感應(yīng)電壓幾乎沒有影響。系統(tǒng)輸入的直流電壓越大則傳輸?shù)墓β试酱?，但是靜電感應(yīng)電壓也會(huì)增加，所以應(yīng)當(dāng)予以限制。當(dāng)系統(tǒng)的其余參數(shù)確定后，可以求得滿足安全性約束條件的最大直流輸入電壓值。

在保證ECPT系統(tǒng)安全性的前提下，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)還需兼顧電能傳輸?shù)哪苄?。ECPT系統(tǒng)的多約束條件條件包括：(1)安全性約束條件；(2)功率約束條件；(3)效率約束條件。由于系統(tǒng)的負(fù)載R_L，耦合電容C_s以及等效電容C_eq都是由實(shí)際使用場(chǎng)合確定，所以需要設(shè)計(jì)的參數(shù)有直流輸入電壓U_dc、工作頻率f、補(bǔ)償電感L_s1以及補(bǔ)償電感L_s2。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)設(shè)一個(gè)初始頻率f₀，然后根據(jù)式(13)計(jì)算出直流輸入電壓的最大值，再根據(jù)式(22)(23)計(jì)算出滿足安全性約束的系統(tǒng)最大功率和效率值，然后與實(shí)際要求進(jìn)行比較，如果滿足設(shè)計(jì)要求，就可以確定參數(shù)，如果低于設(shè)計(jì)要求，就增加頻率，重新計(jì)算最大功率和效率值。根據(jù)上述分析，得到ECPT系統(tǒng)在多約束條件下系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法如圖10所示。

下面將通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

基于圖2搭建了全橋串聯(lián)諧振型ECPT系統(tǒng)，耦合極板采用銅箔覆蓋的亞克力板，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3.實(shí)驗(yàn)用元器件參數(shù)表

圖11給出了四塊極板電壓峰值在不同Q值下的測(cè)量值與理論計(jì)算值，圖12給出了當(dāng)Q取9.8時(shí)，極板P1與P2的電壓波形圖。由圖11可知，不同Q值下的四塊極板電壓測(cè)量值與理論值相符，圖中P3的電壓稍大于P1的電壓，可能是因?yàn)槭止だ@制電感不精確的原因。從圖12的電壓波形圖可知，極板電壓包含了一個(gè)U_dc/2的直流分量，與理論推導(dǎo)相符。

圖13給出了分別放置于四塊耦合極板上方的金屬平板的靜電感應(yīng)電壓波形，金屬平板與耦合極板形成的等效電容為65pF，Q為9.8，R_ac為30Ω。V_{P1感應(yīng)}表示放置于極板P1上方的金屬薄板靜電感應(yīng)電壓，V_{P1感應(yīng)}與V_{P3感應(yīng)}是正弦波，V_{P2感應(yīng)}與V_{P4感應(yīng)}由于不受電路Q值影響，且等效電容較小所以其幅值較小，波形有一定畸變。

圖14為驅(qū)動(dòng)電壓及負(fù)載電壓與金屬薄板靜電感應(yīng)電壓波形。系統(tǒng)的輸入功率為40W，經(jīng)測(cè)量計(jì)算得到系統(tǒng)的輸出功率約為32W，系統(tǒng)的整體效率達(dá)到了80％，工作頻率為479KHz,靜電感應(yīng)電壓也在人體可觸摸的安全范圍之內(nèi)。

本申請(qǐng)的上述實(shí)施例中，通過提供一種多約束條件下的ECPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：計(jì)算滿足安全性約束條件的最大輸入電壓U_dc；計(jì)算滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸功率P₀；判斷是否滿足功率約束條件，若滿足，則計(jì)算滿足安全性約束的系統(tǒng)的最大傳輸效率η；判斷是否滿足效率約束條件，若滿足，則進(jìn)一步判斷是否滿足安全性約束條件，如果是，則確定當(dāng)前的輸入電壓U_dc、工作效率f、補(bǔ)償電感L_s1以及補(bǔ)償電感L_s2為系統(tǒng)參數(shù)。本發(fā)明提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在保證安全性前提下，同時(shí)滿足系統(tǒng)傳輸功率和效率要求。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。