電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)安全性問題研究.pdf

1、電場耦合無線電能傳輸（Electrical-field Coupled Power Transfer, ECPT）技術(shù)是一種以金屬極板作為耦合機構(gòu)，高頻電場作為能量傳輸介質(zhì)的電能無線傳輸技術(shù)，由于具有耦合機構(gòu)簡易輕薄、周圍導(dǎo)體不會產(chǎn)生渦流損耗、電磁兼容性好等優(yōu)點，目前已經(jīng)受到國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在電動車、水下探測、醫(yī)療設(shè)備等多個領(lǐng)域取得了諸多研究成果。但由于 ECPT系統(tǒng)的耦合極板需要高頻高壓激勵才能有效地傳輸電能，所以系統(tǒng)一般

2、需要通過諧振網(wǎng)絡(luò)對輸入電壓進(jìn)行數(shù)十倍的抬升。在大功率應(yīng)用場合，極板電壓可能達(dá)到數(shù)千伏，這使得ECPT系統(tǒng)的安全性問題備受關(guān)注。過高的極板電壓一方面會使得系統(tǒng)周圍的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓，人體接觸會引發(fā)觸電的危險；另一方面高壓極板所激發(fā)出的強電場對周圍的人員也會產(chǎn)生不良影響。
　　本文針對 ECPT系統(tǒng)耦合極板產(chǎn)生的電場輻射以及極板周圍的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓問題，綜合應(yīng)用電路理論、電磁場理論和電力電子技術(shù)，以保證ECPT系統(tǒng)

3、的安全性為目標(biāo)展開研究工作，主要的研究內(nèi)容包含：
　　(1)人體觸電等效電路的建立。通過對目前ECPT系統(tǒng)常用的逆變電路及諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比分析，選擇通用性強并適合大功率場合的全橋串聯(lián)諧振型 ECPT系統(tǒng)作為研究對象。針對極板周圍金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可能引發(fā)的觸電問題，引入耦合極板與金屬導(dǎo)體形成的等效電容模型以及人體阻抗模型，建立了人體接觸導(dǎo)體時的等效電路。在此基礎(chǔ)上，通過對不同極板的電壓特性進(jìn)行分析，推導(dǎo)了人體接觸導(dǎo)體時的觸電

4、電壓，并根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)，提出了限制觸電電壓在安全范圍以內(nèi)的約束條件。
　　(2)多約束條件的參數(shù)設(shè)計方法。針對實際 ECPT系統(tǒng)除了需要滿足安全性約束，還需達(dá)到期望的傳輸功率及效率的問題，提出了一種多約束條件的參數(shù)設(shè)計方法，在保證系統(tǒng)不發(fā)生靜電感應(yīng)電壓觸電的前提下，滿足期望的傳輸功率及效率。
　　(3)極板周圍電場輻射分析。為了研究耦合極板周圍空間的電場輻射情況，利用有限差分法對耦合機構(gòu)周圍的電場進(jìn)行數(shù)值計算，得到電場的分布情

5、況，結(jié)果表明處于電能發(fā)射端的極板會向外激發(fā)更強的電場，在設(shè)置極板周圍的安全使用距離時需要優(yōu)先考慮。
　　(4)層疊式耦合機構(gòu)建模及電場屏蔽效果分析。針對平鋪式耦合機構(gòu)需要設(shè)置較大的安全使用距離，不利于設(shè)備小型化發(fā)展的問題，利用不同極板的電壓差異，將耦合機構(gòu)改進(jìn)為極板層疊的形式，使得低電壓極板對高電壓極板產(chǎn)生的強電場進(jìn)行屏蔽，減小耦合機構(gòu)對于外界的電場輻射。最后基于Matlab/Simlink以及Maxwell軟件搭建了仿真模型，仿