CN107689692A - 利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，包括相连接的高频功率源和发射模块以及相连接的接收模块和负载；发射模块是由参与调谐的分数阶电感和两块发射极板组成；接收模块是由两块接收极板组成；接收极板与发射极板之间平行放置以电场耦合的方式实现能量传输。本发明利用分数阶元件感值和阶数可调的优点，在参与电场耦合式无线电能传输系统调谐过程中显示出优势。

Description

利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统

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，尤其是指一种利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统。

背景技术

目前无线输电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。当前最成熟、最普遍的是电磁感应式，但是电场耦合式无线电能传输的电场分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰较小，当电场耦合机构之间或附近存在金属导体时，不会产生相应的涡流损耗，因而有发热少，安全性和传输效率高等优点，因而在植入式医疗设备、电动汽车充电和家用电器等场合都有广泛的运用。电场耦合式无线电能传输是利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能。为了增大传输功率和提高传输效率，通常还需要对耦合机构进行调谐补偿。

分数阶微积分已经有三百多年的历史，其将微积分的阶次从整数阶推广到分数甚至复数，但由于缺乏数值分析工具，因此一直没有受到关注。近几十年来，随着生物技术、高分子材料等新兴学科的发展，人们发现整数阶微积分不能很好地解释一些自然界存在的现象，故分数阶微积分逐渐得到重视，并开始应用于工程领域，其在控制领域的研究和应用也日益完善。同时，两端分数阶器件已经在实验室被制造出来，分数阶电感的感值和阶数的调节可以通过控制策略实现，与传统的可调整数阶电感相比，调节更加灵活。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，该系统通过充分利用分数阶电感感值和阶数可调的优点，在接收极板与发射极板之间电容变化时使系统一直工作在谐振状态。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，包括相连的高频功率源和发射模块以及相连的接收模块和负载，所述发射模块和接收模块之间是通过电场耦合的方式实现无线电能传输；所述发射模块包括分数阶电感、第一发射极板、第二发射极板，所述接收模块包括第一接收极板、第二接收极板，其中，所述高频功率源的一端经过分数阶电感与第一发射极板连接，其另一端与第二发射极板连接，所述负载的两端分别连接第一接收极板和第二接收极板，所述第一发射极板与第一接收极板之间形成第一等效传输电容，所述第二发射极板与第二接收极板之间形成第二等效传输电容，且所述分数阶电感与第一等效传输电容、第二等效传输电容谐振，当极板由于位置并非完全固定导致极板并未完全对齐或板间距离变化而引发等效传输电容变化破坏谐振状态时，通过调节分数阶电感的阶数或感值来使系统一直工作在谐振状态。

所述分数阶电感的电压和电流微分关系满足：

相位关系满足：

阻抗为：

其中，v_L为分数阶电感的电压，i_L为分数阶电感的电流，β为分数阶电感的阶数，L_β为分数阶电感的感值，ω为分数阶电感的工作角频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、加入分数阶电感，在设计调谐网络时简单方便。

2、分数阶电感参与的调谐网络使系统一直工作在谐振状态下，系统能一直保持在高效率的情况下运作。

附图说明

图1为本发明的具体实施电路图。

图2为本发明的简化分析电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，包括相连的高频功率源V_S和发射模块以及相连的接收模块和负载Load，所述发射模块和接收模块之间是通过电场耦合的方式实现无线电能传输；所述发射模块包括分数阶电感L_β、第一发射极板P₁、第二发射极板P₃，所述接收模块包括第一接收极板P₂、第二接收极板P₄，其中，所述高频功率源V_S的一端经过分数阶电感L_β与第一发射极板P₁连接，其另一端与第二发射极板P₃连接，所述负载Load的两端分别连接第一接收极板P₂和第二接收极板P₄形成回路，所述第一发射极板P₁与第一接收极板P₂之间形成第一等效传输电容C₁，所述第二发射极板P₃与第二接收极板P₄之间形成第二等效传输电容C₂，且所述分数阶电感L_β与第一等效传输电容C₁、第二等效传输电容C₂谐振，当极板由于位置并非完全固定导致极板并未完全对齐或板间距离变化而引发等效传输电容变化破坏谐振状态时，可通过调节分数阶电感L_β的阶数或感值来使系统一直工作在谐振状态。

图2为简化后的电路图，由图2可以得到系统的分数阶微分方程：

式中，v_s为高频功率源的暂态表达式，i为整个电路的电流，为电容C₁上的电压，为电容C₂上的电压。

上述系统的微分方程由拉普拉斯变换可以得到：

以上方程组中的符号为拉普拉斯变换形式，与系统的微分方程具有一一对应关系，即I为整个电路的电流，为电容C₁上的电压，为电容C₂上的电压。在频域中，有s＝jω。定义回路阻抗：

令：

其中，得到输入阻抗表达式：

当极板之间并非完全固定时，极板并未完全对齐或板间距离变化会导致极板间等效电容变化为C′_X，若使用传统整数阶电感L与电容串联，在工作频率下有：

当C_X变为C′_X而工作频率ω₀由高频电源决定并不发生变化，此时回路阻抗虚部不为零，即：

整个电路没有工作在谐振状态。而采用分数阶电感与电容串联，当等效电容容值发生变化时，可以通过调节分数阶电感的阶数或感值，使得整个电路处于谐振状态：

此时，回路阻抗虚部为零，实现调谐补偿，整个系统以较高的效率工作。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：包括相连的高频功率源和发射模块以及相连的接收模块和负载，所述发射模块和接收模块之间是通过电场耦合的方式实现无线电能传输；所述发射模块包括分数阶电感、第一发射极板、第二发射极板，所述接收模块包括第一接收极板、第二接收极板，其中，所述高频功率源的一端经过分数阶电感与第一发射极板连接，其另一端与第二发射极板连接，所述负载的两端分别连接第一接收极板和第二接收极板，所述第一发射极板与第一接收极板之间形成第一等效传输电容，所述第二发射极板与第二接收极板之间形成第二等效传输电容，且所述分数阶电感与第一等效传输电容、第二等效传输电容谐振，当极板由于位置并非完全固定导致极板并未完全对齐或板间距离变化而引发等效传输电容变化破坏谐振状态时，通过调节分数阶电感的阶数或感值来使系统一直工作在谐振状态。

2.根据权利要求1所述的利用分数阶电感参与调谐的电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述分数阶电感的电压和电流微分关系满足：

<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msup> <msub> <mi>i</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>dt</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

相位关系满足：

阻抗为：

<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <msub> <mi>L</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msup> <msub> <mi>L</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，v_L为分数阶电感的电压，i_L为分数阶电感的电流，β为分数阶电感的阶数，L_β为分数阶电感的感值，ω为分数阶电感的工作角频率。