CN103762725A - 一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，还包括原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、副边分数阶阻抗匹配网络以及负载（R_L），其中高频功率源、原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈依次串联形成回路，负载（R_L）、副边分数阶阻抗匹配网络、接收线圈依次串联形成回路，发射线圈与接收线圈耦合排列。本发明的系统，只用一个分数阶元件即可实现多种类型的阻抗匹配，适合中等距离的无线电能传输。

Description

一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术早在100多年前就由美国发明家特斯拉（Nicola Tesla）在实验上得到尝试。2006年，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用物理的共振技术成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验不仅仅是特斯拉实验的重现，更是无线电能传输技术的又一个新突破，并且掀起了无线电能传输研究的热潮。

无线电能传输技术是一种广泛应用前景的电能传输方式，具有安全、可靠、灵活、方便等优点，已经日益受到世界各国的重视，并越来越广泛应用于各种不适合或不方便使用有导线接触传输电能的地方，如植入式医疗设备、移动电子产品、机器人、轨道电车供电等场合，并有望在不久的将来能够在小功率电子产品无线充电方面取代传统的插头充电。

目前应用于无线电能传输系统的阻抗匹配网络是源于射频领域的技术，其至少由两个元件构成才能实现阻抗匹配。为了实现更宽范围的阻抗匹配，更复杂的匹配网络也被提出来。虽然复杂的阻抗网络能够适应宽范围的负载变化，但是更多的元件势必会降低系统的整体效率，因此存在应用的局限性。

分数阶器件（如分数阶电容、分数阶电感）概念的来源于分数阶微积分的产生，而分数阶微积分的概念已经有300多年的历史，几乎与整数阶微积分同时诞生。但是由于分数阶比较复杂，并且一直没有很好的数值分析工具，因此其一直处于理论分析阶段。近几十年来，由于生物技术、高分子材料等的发展，人们发现整数阶微积分不能很好的解释自然界存在的现象，因此分数阶微积分开始得到重视，并开始应用于工程领域。

鉴于目前传统阻抗匹配网络的局限性和分数阶器件还未应用于无线电能传输领域，因此有必要提出一种新的分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，包括高频功率源，其特征在于：还包括原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、副边分数阶阻抗匹配网络以及负载，其中高频功率源、原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈依次串联形成回路，负载、副边分数阶阻抗匹配网络、接收线圈依次串联形成回路，发射线圈与接收线圈耦合排列。

进一步地，所述的原边分数阶阻抗匹配网络、副边分数阶阻抗匹配网络分别包含一个分数阶器件，该分数阶器件为分数阶电容或者分数阶电感，当采用分数阶电容时，分数阶电容的电压、电流关系满足

其中v_C为分数阶电容电压，i_C为分数阶电容电流，分数阶的阶数α满足0<α<2；当采用分数阶电感时，分数阶电感的电压、电流关系满足其中i_L为分数阶电感电流，v_L为分数阶电感电压，分数阶的阶数β满足0<β<2。

进一步地，所述的分数阶器件具有分数阶导数特性，且当分数阶器件为分数阶电容时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为

其中0<α<2；当分数阶器件为分数阶电感时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为其中0<β<2。

进一步地，所述的发射线圈包含依次串联的原边电容、原边电感和原边电阻，且原边电阻串接在原边电感与高频功率源之间；所述的接收线圈包含依次串接的副边电容、副边电感和副边电阻，且副边电阻串接在负载与副边电感之间。

本发明的工作原理如下所示：

发射线圈和接收线圈分别由原边电感L_P、原边电容C_P和原边电阻R_P、副边电感L_S、副边电容C_S和副边电阻R_S，构成RLC谐振电路，两线圈通过谐振耦合的方式实现了电能的无线传输，以给负载R_L供电。但在实际系统中，由于传输距离的变化，两线圈之间的互感也会发生变化。互感的变化会引起负载R_L与高频功率源的内阻不匹配的情况，导致传输功率下降。另外，在实际系统中，负载也是动态变化的，因此也是引起阻抗不匹配的原因。本发明引入分数阶阻抗匹配网络正是解决由于传输距离或负载变化导致的阻抗不匹配的问题。通过分数阶电容或分数阶电感的特性抵消互感或负载的变化，从而保证系统工作在最大传输功率的阻抗匹配点。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、采用分数阶器件实现的阻抗匹配网络，只需一个器件，结构简单。

2、采用分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，能够实现更宽负载范围的阻抗匹配。

附图说明

图1为本发明所述的分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统的结构示意图；

图2为图1所述系统的具体电路图；

图3为图2所述电路图的等效电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2、3，一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，包括高频功率源，还包括原边分数阶阻抗匹配网络3、发射线圈1、接收线圈2、副边分数阶阻抗匹配网络4以及负载R_L，其中高频功率源、原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈依次串联形成回路，负载R_L、副边分数阶阻抗匹配网络、接收线圈依次串联形成回路，发射线圈与接收线圈耦合排列；

所述的发射线圈包含依次串联的原边电容C_P、原边电感L_P和原边电阻R_P，且原边电阻R_P串接在原边电感L_P与高频功率源之间；所述的接收线圈包含依次串接的副边电容C_S、副边电感L_S和副边电阻R_S，且副边电阻R_S串接在负载R_L与副边电感L_S之间。

所述的原边分数阶阻抗匹配网络、副边分数阶阻抗匹配网络分别包含一个分数阶器件，该分数阶器件为分数阶电容或者分数阶电感，当采用分数阶电容时，分数阶电容的电压、电流关系满足

其中v_C为电容电压，i_C为电容电流，分数阶的阶数α满足0<α<2；当采用分数阶电感时，分数阶电感的电压、电流关系满足

其中i_L为电感电流，v_L为电感电压，分数阶的阶数β满足0<β<2；

所述的分数阶器件具有分数阶导数特性，且当分数阶器件为分数阶电容时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为

其中0<α<2；当分数阶器件为分数阶电感时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为

其中0<β<2。

如图2为本发明的具体电路图，令原边分数阶阻抗匹配网络和副边分数阶阻抗匹配网络参数完全一致。根据等效电路理论图2的电路图可以等效为图3所示的电路图。如图3所示，要满足阻抗匹配，分数阶器件应该满足：

$X_{\mathrm{foe}}=\sqrt{{(1-r_{\mathrm{eq}})}^2+{\left(x_{\mathrm{eq}}\right)}^2}$

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ind}}=2+{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{cap}}=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}{\cos }^{-1}\left(\frac{1-r_{\mathrm{eq}}}{Z_{\mathrm{foe}}}\right)$

其中，Z_foe为阻抗，α_ind为分数阶电感阶数，α_cap为分数阶电容阶数，Z_eq＝r_eq+jx_eq，Z_eq表示从发射线圈端看进去系统的等效阻抗，r_eq为等效阻抗的实部，x_eq为等效阻抗的虚部。即用一个分数阶电容或电感即可满足任何阻抗的匹配，甚至是负阻抗。而常规的阻抗匹配网络必须至少用两个整数阶元件才能完成阻抗匹配，但是不能匹配负阻抗。由此证明了本发明的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，包括高频功率源，其特征在于：还包括原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、副边分数阶阻抗匹配网络以及负载（R_L），其中高频功率源、原边分数阶阻抗匹配网络、发射线圈依次串联形成回路，负载（R_L）、副边分数阶阻抗匹配网络、接收线圈依次串联形成回路，发射线圈与接收线圈耦合排列。

2.根据权利要求1所述的一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，其特征在于：所述的原边分数阶阻抗匹配网络、副边分数阶阻抗匹配网络分别包含一个分数阶器件，该分数阶器件为分数阶电容或者分数阶电感，当采用分数阶电容时，分数阶电容的电压、电流关系满足

其中v_C为分数阶电容电压，i_C为分数阶电容电流，分数阶的阶数α满足0<α<2；当采用分数阶电感时，分数阶电感的电压、电流关系满足

其中i_L为分数阶电感电流，v_L为分数阶电感电压，分数阶的阶数β满足0<β<2。

3.根据权利要求2所述的一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，其特征在于：所述的分数阶器件具有分数阶导数特性，且当分数阶器件为分数阶电容时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为其中0<α<2；当分数阶器件为分数阶电感时，其两端的电压和通过的电流之间的相角为

其中0<β<2。

4.根据权利要求1所述的一种分数阶阻抗匹配网络的无线电能传输系统，其特征在于：所述的发射线圈包含依次串联的原边电容（C_P）、原边电感（L_P）和原边电阻（R_P），且原边电阻（R_P）串接在原边电感（L_P）与高频功率源之间；所述的接收线圈包含依次串接的副边电容（C_S）、副边电感（L_S）和副边电阻（R_S），且副边电阻（R_S）串接在负载（R_L）与副边电感（L_S）之间。

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