CN106532979A - 一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，包括高频功率源、发射电路、接收电路和负载，发射电路包括串联连接的原边分数阶电容、原边发射线圈、原边电路内阻，其中原边电路内阻为包括原边发射线圈内阻在内的原边电路所有正电阻；接收电路包括串联连接的副边分数阶电容、副边接收线圈、副边电路内阻，其中副边电路内阻为包括副边接收线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。本发明采用分数阶电容与线圈串联谐振，同时利用分数阶电容在特定参数范围下具有负电阻分量的性质，实现部分或全部抵消电路内阻。

Description

一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，具体涉及一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术可以实现电源与用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活的优点。早在19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)便利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡.基于磁耦合谐振式的无线电能传输是MIT的学者在无线电能传输领域取得的突破性进展，自2007年被公开发表以来在无线电能传输领域引起了非常大的反响，越来越多的学者加入到无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来。

在目前的谐振式无线电能传输系统中，包括线圈内阻在内的谐振电路的内阻是影响无线电能传输的重要因素，如何降低线圈内阻是无线电能传输领域的一个重要难题，有文献提出采用超导线圈来降低线圈内阻，然而超导线圈一般需要在比较低的温度环境下才能实现，成本较高。

分数阶微积分已经有300多年的历史，其将微积分的阶次从整数阶推广到分数甚至复数。分数阶电容的概念由分数阶微积分的概念而来，与传统的整数阶电容不同，分数阶电容包括容值和阶数两个参数，这使得分数阶电容的设计自由度比整数阶电容多，具备一些传统整数阶电容不具备的性质。现有技术中还未存在利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，本发明利用了分数阶电容在特定的参数范围内，具有负电阻的分量，将具有负电阻分量的分数阶电容应用于无线电能传输系统中，对于降低谐振电路内阻具有重大意义。

发明内容

针对目前现有技术的缺点与不足，本发明提供一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统。

本发明通过如下技术方案实现。

一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其中包括高频功率源V_S、发射电路、接收电路和负载R_L，其特征在于发射电路包括串联连接的原边分数阶电容C_α1、原边发射线圈L₁、原边电路内阻R_S1，其中原边电路内阻R_S1为包括原边线圈内阻在内的原边电路所有正电阻；接收电路包括串联连接的副边分数阶电容C_α2、副边接收线圈L₂、副边电路内阻R_S2，其中副边电路内阻为包括副边线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。

在所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统中，原边分数阶电容C_α1和副边分数阶电容C_α2的电压电流微分关系均满足：

相位关系满足：

阻抗为：

其中i_C为分数阶电容电流，v_C为分数阶电容电压，α为分数阶电容阶数，并且0<α≤2，C_α为分数阶电容容值,w为分数阶电容的工作角频率。

所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统中，发射电路和接收电路之间是通过串联谐振耦合的方式实现的无线电能传输。

本发明的发射电路由原边分数阶电容C_α1、原边发射线圈L₁、原边电路内阻R_S1构成RLC_α串联谐振电路，接收电路由副边分数阶电容C_α2、副边接收线圈L₂、副边电路内阻R_S2构成RLC_α串联谐振电路。发射电路和接收电路通过谐振耦合的方式实现电能的无线传输。同时，原边分数阶电容C_α1和副边分数阶电容C_α2之中，至少有一个分数阶电容除了工作在与线圈谐振的状态，还用于抵消所在串联谐振电路的内阻。

作为一种实施方式，所述的原边分数阶电容C_α1被设置为与原边线圈产生谐振的同时又能抵消部分或全部原边电路内阻，原边电路内阻为包括原边线圈内阻在内的原边电路所有正电阻。

作为一种实施方式，所述的副边分数阶电容C_α2被设置为与副边线圈产生谐振的同时又能抵消部分或全部副边电路内阻，副边电路内阻为包括副边接收线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。

作为一种实施方式，所述的抵消内阻包括原边分数阶电容被设置为抵消原边电路内阻和与原边线圈谐振，副边分数阶电容只被设置为与副边线圈谐振。

作为一种实施方式，所述的抵消内阻包括副边分数阶电容被设置为抵消副边电路内阻和与副边线圈谐振，原边分数阶电容只被设置为与原边线圈谐振。

作为一种实施方式，所述的抵消内阻包括原边分数阶电容被设置为抵消原边电路内阻和与原边线圈谐振，副边分数阶电容被设置为抵消副边电路内阻和与副边线圈谐振。

所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统中，原边和副边电路的等效内阻分别为：

式中为分数阶电容C_α1阻抗的实部分量，为分数阶电容C_α2阻抗的实部分量。

所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统中，原边分数阶电容的参数不仅需要满足与原边线圈谐振的条件：

用于抵消原边电路内阻R_S1时，分数阶电容参数还需满足：

0≤Z_eqs1<R_S1

即：

此时原边分数阶电容的阻抗具有负电阻的分量，因此可用于抵消原边电路内阻。而且当时即原边等效内阻Z_eqs1＝0，原边分数阶电容刚好全部抵消原边电路内阻R_S1。

所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统中，副边分数阶电容的参数不仅需要满足与副边线圈谐振的条件：

用于抵消副边电路内阻R_S2时，分数阶电容参数还需满足：

0≤Z_eqs2<R_S2

即：

此时副边分数阶电容的阻抗具有负电阻的分量，因此可用于抵消副边电路内阻。而且当时即副边等效内阻Z_eqs2＝0，副边分数阶电容刚好全部抵消副边电路内阻R_S2。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、系统结构简单，分数阶电容不仅实现与线圈谐振，还可同时实现抵消电路内阻。

2、通过分数阶电容部分或全部抵消电路内阻，可以提高电路的品质因数。

3、通过原副分数阶电容分别与发射和接收线圈谐振，并同时分别全部抵消原边电路内阻和副边电路内阻，可使高频功率源的输出功率全部输出到负载上。

附图说明

图1为实施方式中提供的具体系统模型。

图2为实施方式中电路品质因数与分数阶电容阶数的关系曲线。

图3为实施方式中输出功率和输入功率与分数阶电容阶数的关系曲线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本实例的利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统的基本原理是利用分数阶电容与线圈产生谐振，同时利用分数阶电容在设定阶数下具有负电阻分量的特点来抵消电路的正电阻。

如图1，一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，包括高频功率源V_S、发射电路、接收电路和负载R_L，发射电路包括串联连接的原边分数阶电容C_α1、原边发射线圈L₁、原边电路内阻R_S1，其中原边电路内阻R_S1为包括原边线圈内阻在内的原边电路所有正电阻；接收电路包括串联连接的副边分数阶电容C_α2、副边接收线圈L₂、副边电路内阻R_S2，其中副边电路内阻为包括副边线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。为了分析方便，令原边电路内阻R_S1和副边电路内阻R_S2参数一致都为R_S；令原边发射线圈L₁和副边接线线圈L₂参数一致都为L；令原边分数阶电容C_α1和副边分数阶电容C_α2参数一致,容值都为C_α，阶数都为α。

令系统谐振频率为w_r，当原边和副边的分数阶电容都设置为与线圈谐振和补偿电路内阻时，其参数满足：

式中为分数阶电容阻抗的实部分量，解得：

当发射电路和接收电路都谐振时，可得原边的回路阻抗Z₁₁和副边回路阻抗Z₂₂为：

又由基尔霍夫定律可得：

式中为高频功率源电压的向量表达式，和分别为为原边电流和副边电流的向量表达式。M为原边发射线圈与副边接收线圈之间的互感。

解得原边电流的幅值I₁和副边电流的幅值I₂为：

则可得系统谐振时输出功率P_O的表达式为：

系统谐振时高频功率源的电压和电流同相，则可得高频功率源的输入功率表达式P_IN为：

谐振电路的一个重要参数就是品质因数，此时系统发射电路和接收电路的品质因数Q的表达式为：

式中为谐振电路的等效内阻。

设高频功率源电压为V_S＝20V,角频率w_S＝2*π*50000rad/s，线圈电感为L＝300uH,M＝30uH,内阻R_S＝0.5Ω,负载R_L＝10Ω。发射电路与接收电路的谐振频率与高频功率源频率相等，则可得分数阶电容的参数应满足:

此时系统输出功率、高频功率源的输入功率与分数阶电容阶数的关系曲线如图2。由图2可知，分数阶电容阶数越高，系统输出功率就越接近于高频功率源的输入功率，当分数阶电容阶数取得最大值时即此时分数阶电容完全抵消内阻，则系统输出功率等于高频功率源的输入功率，即高频功率源的输入功率全部输出到负载上。

此时系统发射电路和接收电路的品质因数Q与分数阶电容阶数的关系曲线如图3。由图3可知，Q值随电容阶数的增加而增大，当分数阶电容阶数取得最大值时即此时分数阶电容完全抵消内阻时，Q值趋于无穷大。

由上述分析可知，本发明的无线电能传输系统在抵消电路内阻后，系统在功率特性，电路品质因数等方面与传统的无线电能传输系统存在很大差异，本发明系统的优点是非常显著的。

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所述实施例的限制，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 (7)

1.一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，包括高频功率源(V_S)、发射电路、接收电路和负载(R_L)，其特征在于发射电路包括串联连接的原边分数阶电容(C_α1)、原边线圈(L₁)、原边电路内阻(R_S1)，其中原边电路内阻(R_S1)为包括原边线圈内阻在内的原边电路所有正电阻；接收电路包括串联连接的副边分数阶电容(C_α2)、副边线圈(L₂)、副边电路内阻(R_S2)，其中副边电路内阻为包括副边线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。

2.根据权利要求1所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述原边分数阶电容(C_α1)和副边分数阶电容(C_α2)的电压电流微分关系都满足：相位关系满足其中i_C为分数阶电容电流，v_C为分数阶电容电压，α为分数阶电容阶数，并且0<α≤2，C_α为分数阶电容容值。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述的原边分数阶电容(C_α1)被设置为与原边线圈产生谐振的同时又能抵消部分或全部原边电路内阻，原边电路内阻为包括原边线圈内阻在内的原边电路所有正电阻。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述的副边分数阶电容(C_α2)被设置为与副边线圈产生谐振的同时又能抵消部分或全部副边电路内阻，副边电路内阻为包括副边接收线圈内阻在内的接收电路所有正电阻。

5.根据权利要求1所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述的抵消内阻包括原边分数阶电容被设置为抵消原边电路内阻和与原边线圈谐振，副边分数阶电容只被设置为与副边线圈谐振。

6.根据权利要求1所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述的抵消内阻包括副边分数阶电容被设置为抵消副边电路内阻和与副边线圈谐振，原边分数阶电容只被设置为与原边线圈谐振。

7.根据权利要求1所述的一种利用分数阶电容抵消内阻的分数阶无线电能传输系统，其特征在于所述的抵消内阻包括原边分数阶电容被设置为抵消原边电路内阻和与原边线圈谐振，副边分数阶电容被设置为抵消副边电路内阻和与副边线圈谐振。