基于双侧LC补偿网络的ECPT系统漏电场抑制方法.pdf

中文摘要 摘 要 电场耦合电能传输（ECPT, Electric-field Coupled Power Transfer ）技术以高频 交变电场作为能量传输媒介，摆脱电缆线对用电设备的束缚，实现电能从电网或 电源到负载端的无线传输。其具有耦合机构简易轻薄、形状易变；可穿透金属障 碍物进行传能；不会在周围金属导体上产生涡流损耗等优点。因此，ECPT 技术可 与磁场耦合无线电能传输（MC-WPT ，Magnetic Coupling Wireless Power Transfer ） 技术形成优势互补，共同发展。 然而，随着 ECPT 系统功率和传输距离的增大，其耦合机构极板电压也会逐 渐升高。过高的极板电压不仅会给周围生物体带来触电危险，也会使系统存在漏 电场辐射等安全隐患。为进一步促进 ECPT 技术的发展，上述安全性问题亟待解 决。 本文主要围绕ECPT 系统漏电场抑制问题展开研究。基于Ansoft Maxwell ，对 耦合机构进行建模，分析了系统工作频率、传输距离、极板材料、极板厚度、极 板形状、极板耦合方式、极板电压和相位对系统漏电场分布的影响，给出了耦合 机构周围漏电场分布规律。在此基础上，确定采用新型层叠式耦合机构，并以降 低其外侧极板电压的方式，对漏电场进行有效抑制。为研究漏电场辐射最严重的 情况，本文以易于实现大功率、远距离传输的双侧LC 补偿网络的ECPT 系统为例， 对系统进行建模，推导了耦合机构极板电压表达式，分析了耦合机构外侧极板电 压随电路参数的变化情况，论述了新型层叠式耦合机构的结构优势。在综合考虑 系统传输功率、效率及功率因数的情况下，提出了一种以抑制系统漏电场为目标 并兼顾系统传输性能的耦合机构和系统参数设计方法。 最后在MATLAB/Simulink 和Ansoft Maxwell 平台上建立了系统仿真模型，根 据所提出的耦合机构及系统参数设计方法，对层叠式耦合机构等效模型、极板电 压、系统功率及功率因数计算方法的正确性进行了验证，并对系统耦合机构周围 漏电场分布情况进行了仿真，结果表明，漏电场抑制效果完全满足系统设计要求。 依据前文理论及仿真分析，搭建了一套功率约为50W ，效率约为86%的ECPT 系 统实验装置，测量并分析了系统传输性能及漏电场抑制效果，实验结果与理论和 仿真分析相吻合，由此证明了所提出的耦合机构及系统参数设计方法对漏电场抑 制的有效性和可行性。 关键词：ECPT 系统；漏电场抑制；双侧LC 补偿网络；层叠式耦合机构 I 英文摘要 Abstract Electric-field coupled power transfer (ECPT) technology takes high frequency alternating electric field as an energy medium to transfer power from the grid or power source to load wirelessly, making the electrical equipment break away from the cable. It ’s advantages include light weight, variable shape, power transfer capability through metal barriers, no eddy current losses in the metals nearby the system and so on. Therefore, ECPT technology and magnetic coupling wireless power transfer (MC_WPT) technology can form complementary advantages and develop together. However, as the transmission power and dist