【作 者】马浚豪

【摘 要】

电场耦合无线电能传输（Electrical-fieldCoupledPowerTransfer,ECPT）技术是一种以金属极板作为耦合机构，高频电场作为能量传输介质的电能无线传输技术，由于具有耦合机构简易轻薄、周围导体不会产生涡流损耗、电磁兼容性好等优点，目前已经受到国内外专家学者的广泛关注，并在电动车、水下探测、医疗设备等多个领域取得了诸多研究成果。但由于 ECPT 系统的耦合极板需要高频高压激励才能有效地传输电能，所以系统一般需要通过谐振网络对输入电压进行数十倍的抬升。在大功率应用场合，极板电压可能达到数千伏，这使得 ECPT 系统的安全性问题备受关注。过高的极板电压一方面会使得系统周围的金属导体产生静电感应电压，人体接触会引发触电的危险；另一方面高压极板所激发出的强电场对周围的人员也会产生不良影响。

本文针对 ECPT 系统耦合极板产生的电场辐射以及极板周围的金属导体产生的静电感应电压问题，综合应用电路理论、电磁场理论和电力电子技术，以保证ECPT 系统的安全性为目标展开研究工作，主要的研究内容包含：

(1)人体触电等效电路的建立。通过对目前 ECPT 系统常用的逆变电路及谐振网络进行了对比分析，选择通用性强并适合大功率场合的全桥串联谐振型 ECPT 系统作为研究对象。针对极板周围金属导体产生的感应电压可能引发的触电问题，引入耦合极板与金属导体形成的等效电容模型以及人体阻抗模型，建立了人体接触导体时的等效电路。在此基础上，通过对不同极板的电压特性进行分析，推导了人体接触导体时的触电电压，并根据安全标准，提出了限制触电电压在安全范围以内的约束条件。

(2)多约束条件的参数设计方法。针对实际 ECPT 系统除了需要满足安全性约束，还需达到期望的传输功率及效率的问题，提出了一种多约束条件的参数设计方法，在保证系统不发生静电感应电压触电的前提下，满足期望的传输功率及效率。

(3)极板周围电场辐射分析。为了研究耦合极板周围空间的电场辐射情况，利用有限差分法对耦合机构周围的电场进行数值计算，得到电场的分布情况，结果表明处于电能发射端的极板会向外激发更强的电场，在设置极板周围的安全使用距离时需要优先考虑。

(4)层叠式耦合机构建模及电场屏蔽效果分析。针对平铺式耦合机构需要设置较大的安全使用距离，不利于设备小型化发展的问题，利用不同极板的电压差异，将耦合机构改进为极板层叠的形式，使得低电压极板对高电压极板产生的强电场进行屏蔽，减小耦合机构对于外界的电场辐射。最后基于Matlab/Simlink以及 Maxwell软件搭建了仿真模型，仿真与实验结果都证明了本论文所提出的静电感应电压计算公式、多约束参数设计方法以及层叠式耦合机构的正确性与有效性。

【关键词】ECPT 系统，安全性分析，多约束参数设计，电场辐射

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