本發明屬于無線電能傳輸，具體涉及基于穩定工作頻率的電容耦合無線電能傳輸系統及方法。

背景技術：

1、相較于傳統的電能傳輸，無線電能傳輸（wireless?power?transfer,?wpt）技術采用無線的方式進行能量的供給，不需要物理連接，既避免了線路老化、損壞等一系列問題，延長了設備的使用壽命，同時又提高了安全性，消除了電線暴露的風險，降低了觸電的危險，特別適用于一些高風險環境（如醫療設備、電動工具等），同時無線充電設備和接收端不需要直接接觸，可以設計成密封的結構，適用于對防水、防塵要求較高的場合（例如電動汽車、戶外設備等）。

2、近場的無線電能傳輸技術主要可以分為磁場（電感）耦合式（inductive?powertransfer,?ipt）和電場（電容）耦合式（capacitive?power?transfer,?cpt）兩種類型，也是wpt技術的兩種主流，在無線電能傳輸領域中應用較為廣泛。同時，這兩種近場wpt技術具有對偶的性質，在許多方面有著共通之處。

3、電感耦合裝置為了減小交流電流的趨膚效應使用大量的利茲線，為了增加電感耦合機構的耦合能力在線圈中增加高頻鐵氧體，這導致電感耦合機構制造成本較高，磁芯損耗較大，機構體積重量較大，并且高頻磁場會在磁場中的金屬異物中產生渦流損耗，導致傳輸效率下降，甚至使得金屬物體發熱、產生電火花，在一定條件下產生危險。耦合機構泄漏磁場不僅對環境產生電磁干擾影響其他電子產品工作還會對人體和動植物造成一定的危害，大功率的傳輸機構還需要設計專用的鋁板來作為磁場屏蔽結構。

4、20世紀末美國電氣工程師保羅·庫里率先提出了一種使用高頻電場作為能量傳輸渠道的無線電能傳輸方法。但在當時由于缺乏相關支撐理論和技術上的限制，電場耦合式無線電能傳輸技術相比磁場耦合式無線電能傳輸技術發展較為緩慢。21世紀以來，隨著大功率高頻開關器件、高頻特性優良的電容、磁芯等硬件和電磁場數值分析理論、高性能計算機和仿真軟件的出現為cpt技術的進一步研究提供了支撐。cpt系統相比于ipt系統，耦合機構采用更加便宜的金屬極板，在當金屬異物存在于耦合極板間的電場中時，不會在其中引起渦流損耗，并且極板邊緣電場衰減快輻射范圍較小。金屬極板相比磁耦合機構的利茲線圈和鐵氧體結構簡單，造價低廉，體積和重量大幅減少。更適用于應用在動態充電、電動汽車充電等方面。因此，近年來電場耦合式無線電能傳輸技術成為無線電能傳輸方式的主要研究方向之一。

5、然而，cpt系統同樣存在著一些缺點，具體表現為：1）系統傳輸功率、效率的魯棒性較差，易受距離及耦合機構角度變化影響；2）系統在強耦合下會產生頻率分裂現象，造成傳輸功率的下降。基于宇稱時間對稱的無線能量傳輸系統（parity?time?symmetry?wirelesspower?transfer,?pts-wpt）擁有很強的魯棒性，且系統具有頻率自適應的特性，具體來說就是當耦合達到一定強度，系統發生頻率分裂時，pts-wpt系統會自適應的跟蹤調節到分裂后的頻率，避免了頻率分裂現象的發生從而一直保持較高的傳輸功率。pts-wpt的特性使其可以很好地解決傳統wpt存在的兩大問題，pts-wpt也成為近年來無線能量傳輸領域的研究熱點。隨著pts-wpt系統研究的不斷完善，對于兩種主流傳輸方式的深入研究以及更高階的pt對稱系統的拓展研究也已展開。

6、然而，盡管pts-wpt系統具有優秀的傳輸特性，但是常用的自激振蕩的pt對稱系統在pt對稱區會自動跟蹤至分裂后的頻率，雖然避免了頻率分裂帶來的輸出效率、功率下降問題，卻導致了其工作頻率的不穩定。這樣的結果在一些商業應用或者是特殊應用場合是難以接受的，比如對于無線充電的qi標準頻段（110-205khz區間）抑或是nfc設備和rfid技術頻段（13.56mhz附近），當變化的工作頻率過大，使得系統無法滿足要求。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種基于穩定工作頻率的電容耦合無線電能傳輸系統及方法。

2、第一方面，本發明提供了基于穩定工作頻率的電容耦合無線電能傳輸系統，其包括發射器和接收器；所述的接收器包括電容極板p3、電容極板p4以及與電容極板p3和電容極板p4連接的接收端諧振器；所述的發射器包括電容極板p1、電容極板p2以及與電容極板p3和電容極板p4連接的發射端諧振器；所述的發射器還包括頻率失諧控制器；所述頻率失諧控制器并聯在發射端諧振器上；所述頻率失諧控制器包括電感ld和開關s1；通過開關s1的閉合和斷開使得無線電能傳輸系統在發射器和接收器的諧振頻率之間失諧，完成無線電能傳輸系統從低頻分支到高頻分支的切換。

3、作為優選，在系統工作在低頻分支時，通過閉合開關s1后重新斷開，控制系統工作在高頻分支。

4、作為優選，所述電容極板p1和電容極板p2之間的耦合電容c12，與電容極板p3和電容極板p4之間的耦合電容c34相等；電容極板p1和電容極板p3之間的耦合電容c13，與電容極板p2和電容極板p4之間的耦合電容c24相等。

5、作為優選，所述發射端諧振器和所述接收端諧振器的固有頻率ω0相等，諧振頻率ω'0相等。

6、作為優選，低頻分支和高頻分支的工作頻率分別為ω2和ω3，其獲取方式如下：

7、

8、其中，ω0為固有頻率；k為發送器和接收器之間的耦合系數；γl為接收器的損耗系數。

9、作為優選，所述的接收端諧振器包括補償電感lr、補償電容cre和負載電阻rl；電容極板p3和電容極板p4分別連接在補償電容cre的兩端；所述的發射端諧振器包括依次串聯的補償電感lt、補償電容cte和負電阻-rt；電容極板p1和電容極板p2分別連接在補償電容cte的兩端；依次連接的電感ld和開關s1并聯在補償電感lt兩端。

10、作為優選，所述的電容極板p1和電容極板p3正對放置，電容極板p2和電容極板p4正對放置，且處于正對位置上的兩個電容極板完全重合。

11、第二方面，本發明提供了基于穩定工作頻率的電容耦合無線電能傳輸方法，其使用上述的無線電能傳輸系統；該無線電能傳輸方法包括以下步驟：調節發射器和接收器使無線電能傳輸系統工作在宇稱時間對稱狀態；初始狀態下，頻率失諧控制器中的開關s1處于斷開狀態；若系統工作在高頻分支，則直接進行無線電能傳輸；反之，則閉合開關s1，待系統的振蕩穩定后斷開開關s1，使系統工作在高頻分支后進行無線電能傳輸。

12、作為優選，工作在宇稱時間對稱狀態的條件如下：

13、發送器的增益系數γt等于接收器的損耗系數γl；發送器和接收器之間的耦合系數k大于臨界耦合系數kc，臨界耦合系數kc的表達式為：

14、。

15、作為優選，判斷系統是否工作在高頻分支的方法如下；若工作頻率ω小于諧振頻率ω'0或發射器相位滯后接收器相位，則系統工作在低頻分支；反之，則系統工作在高頻分支。

16、本發明具有的有益效果是：

17、1、本發明基于cpt系統自身存在的自諧振頻率偏移現象，加以瞬態的頻率失諧調控手段，使得系統在過耦合態工作時一直工作在頻率相對穩定的高頻分支，工作頻率穩定且近似于自諧振頻率。

18、2、本發明采用水平式四板傳能結構，結構簡單、成本低的同時能夠在較短距離內實現較高的電場強度和能量傳輸效率，并且由于四極板結構僅通過自身即可構成電流回路，可適用于更復雜更一般的應用場景，如水上工作。

19、3、本發明采用了自激振蕩的發射源進行工作，能夠進行頻率跟蹤，避免了頻率分裂現象，同時滿足宇稱時間對稱條件，能夠實現較為穩定的輸出，并且無需復雜的外部控制電路，魯棒性較強。