CN110943545A - 一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分数阶并联‑串联型电场耦合无线电能传输系统，包括高频功率电流源、分数阶并联型发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，高频功率电流源与分数阶串联型发射电路并联连接，分数阶并联型发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连；分数阶并联型发射电路为由原边分数阶电感和原边分数阶补偿电容并联连接构成的谐振电路，分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感、副边分数阶补偿电容和负载串联连接构成的谐振电路。本发明利用分数阶元件实现电场耦合无线电能传输，增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，改善甚至消除负载和距离对系统谐振频率的影响。

Description

一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及空间电场耦合无线电能传输的技术领域，尤其是指一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统。

背景技术

根据电能传输实现机理和方式的不同，无线电能传输技术大致上可分为感应耦合式无线电能传输技术、磁谐振耦合式无线电能传输技术、微波式无线电能传输技术和电场耦合式无线电能传输技术。其中，感应耦合式、磁谐振耦合式和电场耦合式无线电能传输技术研究最为广泛。

电场耦合无线电能传输技术作为目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。相对于磁谐振耦合无线电能传输技术而言，电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变，且在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量都分布在耦合极板之间，对周围环境的电磁干扰很小，此外，在电场耦合机构之间或周围存在金属障碍物时，导体上不产生涡流损耗。

目前，传统的空间电场耦合无线电能传输系统根据电感和电容的连接方式不同可分为串联-串联型、串联-并联型、并联-串联型和并联-并联型。其中，发射电路采用串联连接适用于电压源型逆变器作为电源提供电能，而接收电路采用串联连接适用于电流源型逆变器作为电源提供电能。接收电路采用串联连接适用于大功率负载的应用场合，如电动汽车等，而接收电路采用并联连接则适用于小功率负载的应用场合，如手机等消费电子产品，不同的连接方式均具有重大的研究意义和实际应用价值。

分数阶元件(即分数阶电感和分数阶电容)的概念来源于分数阶微积分。事实上，整数阶电感、电容元件在自然界并不存在，只是目前采用的电感、电容的分数阶数接近于1。随着人们对电感、电容特性认识的不断深入，开始考虑它们的分数阶影响，或有目的地利用它们的分数阶数改进电路性能，且在一些应用场合也已经被证明比整数阶元件更具优势，比如在阻抗匹配电路中的应用。然而，传统的并联-串联型空间电场耦合无线电能传输系统是基于整数阶元件实现的，系统参数设计的自由度小，谐振频率受负载和距离的影响，易失谐，输出功率和传输效率的可调节因素少，受高频电流源技术的限制，很难实现更大功率和更远距离的无线电能传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现电场耦合无线电能传输，增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，能够有效改善甚至消除负载和距离对系统谐振频率的影响，从而有利于避免系统失谐的发生，降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求，且能够有效提高系统的输出功率，适用于大功率的应用场合，性能完全区别于传统的整数阶并联-串联补偿型电场耦合无线电能传输系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，所述系统包括高频功率电流源、分数阶并联型发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述高频功率电流源与分数阶串联型发射电路并联连接，所述分数阶并联型发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶并联型发射电路为由原边分数阶电感和原边分数阶补偿电容并联连接构成的谐振电路，所述分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感、副边分数阶补偿电容和负载串联连接构成的谐振电路，通过调节分数阶元件的阶数，能够实现自然恒流输出及提高系统的输出功率。

进一步，所述原边分数阶电感和副边分数阶电感的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中，i_Ln为分数阶电感的电流，u_Ln为分数阶电感的电压，L_βn为分数阶电感的感值，

为分数阶电感的相位，β_n为分数阶电感的阶数，并且0<β_n≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中i_Cn为分数阶补偿电容的电流，u_Cn为分数阶补偿电容的电压，C_αn为分数阶补偿电容的容值，

为分数阶补偿电容的相位，α_n为分数阶补偿电容的阶数，并且0<α_n≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电容值不仅与负载和距离有关，还与分数阶元件的阶数有关，通过调节分数阶元件的阶数能够降低甚至消除负载或距离变化对分数阶补偿电容的影响，从而减轻或消除系统发生失谐。

进一步，所述系统的谐振频率取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够降低系统的谐振频率，从而降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求。

进一步，当原边分数阶电感、副边分数阶电感在阶数为1时，即为整数阶电感；当原边分数阶补偿电容、副边分数阶补偿电容在阶数为1时，即为整数阶电容。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用分数阶元件实现的空间电场耦合无线电能传输，完全区别于以往的并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，增加了参数选择的自由度，易于系统优化。

2、通过选取分数阶元件的阶数，可以有效改善甚至消除负载和距离对分数阶补偿电容值的影响，减轻或避免系统发生失谐。

3、通过选取分数阶元件的阶数，可以有效降低系统的谐振频率，从而降低对高频电流源及电力电子器件的要求，非常有利于实际系统的设计。

4、通过选择适当的分数阶元件的阶数，可以使传输功率更大，有利于大功率场合的应用。

5、通过调节分数阶元件的阶数，可以使系统具有自然恒流输出的特性，有利于恒流负载的无线供电。

附图说明

图1为实施方式中提供的具体系统结构示意图。

图2为实施方式中提供的具体系统的等效电路原理图。

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。

如图1和图2所示，本实施例所提供的分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，包括高频功率电流源I_s、分数阶并联型发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述高频功率电流源I_s与分数阶串联型发射电路并联连接，所述分数阶并联型发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板C_c1、C_c2相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶并联型发射电路为由原边分数阶电感L_β1和原边分数阶补偿电容C_α1并联连接构成的谐振电路，所述分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感L_β2、副边分数阶补偿电容C_α2和负载R_L串联连接构成的谐振电路，通过调节分数阶元件的阶数，能够实现自然恒流输出及提高系统的输出功率。

其中，原边分数阶电感和副边分数阶电感的阶数和感值分别是β₁、β₂和L_β1、L_β2，β₁、β₂满足0<β_1、2≤2；原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的阶数和容值分别是α₁、α₂和C_α1、C_α2，α₁、α₂满足0<α_1、2≤2。原边分数阶电感、原边分数阶补偿电容、副边分数阶电感和副边分数阶补偿电容阻抗表达式分别是：

由上述阻抗表达式可知，分数阶电感可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电感的串联，分数阶补偿电容可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电容的串联，即：

根据耦合模理论，系统的耦合模方程为：

式中，a₁和a₂被定义为原边谐振电路和副边谐振电路储能的复变量，其模值的平方表示谐振电路储存的能量，具体表达式为：

式中，i₁和i₂分别为发射电路的电流和接收电路的电流，u_{Cα1_eq}和u_{Cα2_eq}分别为原边分数阶电容和副边分数阶电容虚部阻抗分量的电压。

τ₁、τ₂分别为发射电路的总损耗率和接收电路的总损耗率，且τ₁＝τ_Cα1+τ_Lβ1，τ₂＝τ_Cα2+τ_Lβ2+τ_L，其中τ_Cα1、τ_Lβ1、τ_Cα2、τ_Lβ2分别为电路中各元件的损耗率，τ_L为负载系数，具体表达式如下：

负载系数为：

ω₁、ω₂分别为发射和接收器的谐振角频率，表达式如下：

由上式可知，系统的谐振角频率不仅取决于分数阶电感的感值和分数阶补偿电容的容值，还与分数阶电感和补偿电容的阶数有关，而传统的整数阶电场耦合无线电能传输系统的谐振角频率只由电感值和电容值决定。

为电场能量耦合系数，其中k为电场耦合系数，具体表达式如下：

这里，

C_c1和C_c2是单对耦合金属极板的等效电容，一般有C_c1≈C_c2＝εS/d，S为极板的面积，d为传输距离。

Fe^jωt为外加激励在耦合模公式中的表达式，且

I_s为外加高频功率电流源的有效值。

根据耦合模方程可求得a₁和a₂的稳态解为：

则发射电路和接收电路的能量|a₁|²、|a₂|²分别为：

由此可得系统的输出功率和传输效率分别为：

为了使系统发射电路和接收电路实现系统的谐振补偿，则工作角频率满足：ω＝ω₁＝ω₂，则系统的输出功率和传输效率可表示为：

由上述方程可知，系统的输出功率和传输效率不仅与电源的工作角频率ω和耦合电容值C_c有关，还与分数阶电感的阶数β₁、β₂和分数阶补偿电容α₁、α₂的阶数有关。而传统的电场耦合无线电能传输系统的输出功率和传输效率只与工作角频率ω和耦合电容C_c有关。

由上述分析可知，本发明利用分数阶元件实现并联-串联型电场耦合无线电能传输，增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，能够有效改善甚至消除负载和距离对系统谐振频率的影响，从而有利于避免系统失谐的发生，降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求，且能够有效提高系统的输出功率，适用于大功率的应用场合，性能完全区别于传统的整数阶并联-串联补偿型电场耦合无线电能传输系统，本发明系统的优点显而易见，值得推广。

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 (6)

1.一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括高频功率电流源(I_s)、分数阶并联型发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述高频功率电流源(I_s)与分数阶串联型发射电路并联连接，所述分数阶并联型发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板(C_c1、C_c2)相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶并联型发射电路为由原边分数阶电感(L_β1)和原边分数阶补偿电容(C_α1)并联连接构成的谐振电路，所述分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感(L_β2)、副边分数阶补偿电容(C_α2)和负载(R_L)串联连接构成的谐振电路，通过调节分数阶元件的阶数，能够实现自然恒流输出及提高系统的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶电感(L_β1)和副边分数阶电感(L_β2)的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中，i_Ln为分数阶电感的电流，u_Ln为分数阶电感的电压，L_βn为分数阶电感的感值，

为分数阶电感的相位，β_n为分数阶电感的阶数，并且0<β_n≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

3.根据权利要求1所述的一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶补偿电容(C_α1)和副边分数阶补偿电容(C_α2)的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中i_Cn为分数阶补偿电容的电流，u_Cn为分数阶补偿电容的电压，C_αn为分数阶补偿电容的容值，

为分数阶补偿电容的相位，α_n为分数阶补偿电容的阶数，并且0<α_n≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

4.根据权利要求1所述的一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶补偿电容(C_α1)和副边分数阶补偿电容(C_α2)的电容值不仅与负载和距离有关，还与分数阶元件的阶数有关，通过调节分数阶元件的阶数能够降低甚至消除负载或距离变化对分数阶补偿电容的影响，从而减轻或消除系统发生失谐。

5.根据权利要求1所述的一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的谐振频率取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够降低系统的谐振频率，从而降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求。

6.根据权利要求1所述的一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：当原边分数阶电感(L_β1)、副边分数阶电感(L_β2)在阶数为1时，即为整数阶电感；当原边分数阶补偿电容(C_α1)、副边分数阶补偿电容(C_α2)在阶数为1时，即为整数阶电容。

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