CN113364098B - 一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统 - Google Patents

一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，包括发射装置和接收装置；发射装置包括相连接的分数阶电容和发射线圈，接收装置包括串联连接的接收线圈、副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，副边补偿单元设有投切电容支路。本发明利用分数阶电容作为增益源，为负载提供能量，通过投切电容支路实现恒压和恒流充电模式之间的切换。本发明的系统无需原、副边通信就可以实现在传输距离变化的情况下输出恒定电压或者恒定电流，且其电路结构简单、传输效率稳定、成本低。

Description

一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统。
背景技术
在通信技术实现无线的同时，能源领域也期盼着无线时代的到来。众多研究者纷纷投入到了无线充电中来，从磁感应耦合和微波辐射方式，再到磁谐振耦合方式，每一次原理的创新都使得人类的梦想更近了一步。美国麻省理工的马林·索尔贾希克所带领的团队2007年在文献“Kurs A,Karalis A,Moffatt R,et al.Wireless power transfer viastrongly coupled magnetic resonances.Science,2007,317(5834):83-86.”中提出磁耦合谐振无线电能传输技术，进而掀起了研究无线电能传输的浪潮。但是该技术对电路的谐振频率很敏感。由于不同的工作频率、工作环境、工作时间，谐振系统将不可避免地发生失谐，进而导致无法实现电能高效的无线传输；此外，在近距离传输时会出现功率分裂现象，导致传输特性容易受到负载和距离变化的影响。2017年，斯坦福大学的范汕洄教授在文献“Assawaworrarit S,Yu X,Fan S.Robust wireless power transfer using a nonlinearparity-time-symmetric circuit.Nature,2017,546(7658):387.”中提出了基于量子宇称-时间对称原理的无线电能传输技术，实现了0.7m范围内恒定功率和传输效率的能量传输。在无线电能传输领域引入了一个新的理念，也是量子理论在无线电能传输技术中的首次应用。但是其传输功率和功率很低，难以满足产业化的需求。目前，恒压恒流无线充电系统通常采用固定补偿网络的方式，因此传输距离必须严格按照系统设计距离进行无线充电，极大地限制了系统的便利性、
有源分数阶电容是一种满足分数阶微积分理论且可以发出功率的有源元件。不同于传统无线电能传输系统中固定频率的正弦激励源，由分数阶电容构成的系统是一种自治的电路系统。该系统的运行频率和传输性能是由系统各部分的参数共同决定的。当传输距离变化时，系统的运行频率将自适应的调节，从而实现在一定传输范围内稳定的能量传输。因此，基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统将使得无线充电更加稳定和灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，利用分数阶电容作为增益源，仅通过控制副边开关通断，实现恒压输出模式和恒流输出模式之间的切换，且可以在耦合距离和负载同时变化的情况下，仍能实现恒压模式和恒流模式，无需原、副边通信也可以实现在传输距离变化的情况下输出恒定电压或者恒定电流，且其电路结构简单、传输效率稳定、成本低。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，该无线充电系统是利用分数阶电容作为增益源，为负载提供能量，通过投切电容支路实现恒压和恒流充电模式之间的切换，其包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括相连接的分数阶电容和发射线圈，所述接收装置包括串联连接的接收线圈、副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，所述副边补偿单元设有投切电容支路；其中，所述投切电容支路包括第一切换开关、第二切换开关、第一补偿电容和第二补偿电容，所述第一切换开关的一端与第一补偿电容和接收线圈的公共点相连接，其另一端与第一补偿电容和整流滤波电路的公共点相连接，所述第二补偿电容与第二切换开关串联后的一端与第一补偿电容和整流滤波电路的公共点相连接，其另一端与接收线圈和整流滤波电路的公共点相连接，通过切换第一切换开关和第二切换开关，使得无线充电系统能够在特定传输距离和宽负载范围内实现恒压充电和恒流充电模式的切换；当第一切换开关和第二切换开关断开时，通过控制分数阶电容的电流恒定实现恒流输出特性；当第一切换开关和第二切换开关闭合时，通过控制分数阶电容的电压实现恒压输出特性。
进一步，所述分数阶电容的电压电流关系满足：
Figure BDA0003125057590000031
其中u1和i1分别为分数阶电容的电压和电流，Cα1为分数阶电容的容值，α1为分数阶电容的阶数。
进一步，所述发射线圈包括串联连接的原边电感和线圈内阻。
进一步，所述接收线圈包括串联连接的副边电感和线圈内阻。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、利用分数阶电容作为激励源构成自治系统，通过补偿拓扑的切换实现恒压模式和恒流模式，且在传输距离和负载变化的情况下，均可实现恒压和恒流模式，从而替代传统基于补偿网络切换的谐振式无线充电系统，有效地解决了传输距离和负载变化所带来的影响。
2、基于自治系统的对称性，系统响应速度快，且原、副边无需外加通信模块。
3、分数阶电容的构造方式多样，可以灵活调整系统的输出功率和传输效率，且系统的输入阻抗为纯阻性，使得无功功率较低，系统效率高。
附图说明
图1为实施方式中基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统控制原理图。
图2为实施方式中第一和第二投切开关的控制框图。
图3为实施方式中输出恒流模式的控制框图。
图4为实施方式中输出恒压模式的控制框图。
图5为实施方式中恒流和恒压模式的电流电压曲线图。
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。
本实施例所提供的基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，是利用分数阶电容作为激励源构成自治系统，通过补偿拓扑的切换实现恒压模式和恒流模式，且在传输距离和负载变化的情况下，均可实现恒压和恒流模式，从而替代传统基于补偿网络切换的谐振式无线充电系统，有效地解决了传输距离和负载变化所带来的影响。如图1所示，该系统包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括相连接的分数阶电容(图中Cα1为分数阶电容的容值)和发射线圈，所述发射线圈包括串联连接的原边电感(图中L1为原边电感的感值)和线圈内阻(图中Rs1为线圈内阻的阻值)，所述接收装置包括串联连接的接收线圈、副边补偿单元、整流滤波电路D和电池负载，所述接收线圈包括串联连接的副边电感(图中L2为副边电感的感值)和线圈内阻(图中Rs2为线圈内阻的阻值)，所述副边补偿单元设有投切电容支路；其中，所述投切电容支路包括第一切换开关S1、第二切换开关S2、第一补偿电容(图中CR1为第一补偿电容的容值)和第二补偿电容(图中CR2为第二补偿电容的容值)，所述第一切换开关S1的一端与第一补偿电容和接收线圈的公共点相连接，其另一端与第一补偿电容和整流滤波电路D的公共点相连接，所述第二补偿电容与第二切换开关S2串联后的一端与第一补偿电容和整流滤波电路D的公共点相连接，其另一端与接收线圈和整流滤波电路D的公共点相连接，通过切换第一切换开关S1和第二切换开关S2，使得无线充电系统能够在一定传输距离和宽负载范围内实现恒压充电和恒流充电模式的切换；当第一切换开关S1和第二切换开关S2断开时，通过控制分数阶电容的电流恒定实现恒流输出特性；当第一切换开关S1和第二切换开关S2闭合时，通过控制分数阶电容的电压实现恒压输出特性。
所述分数阶电容的电压电流关系满足：
Figure BDA0003125057590000051
其中u1和i1分别为分数阶电容的电压和电流，α1为分数阶电容的阶数。因此，该分数阶电容可作为整个系统的增益源，为负载提供能量。
副边补偿单元的切换开关控制框图如图2所示，当电池电压达到恒压充电的电压阈值时，将输出第一切换开关S1和第二切换开关S2的开通信号。当第一切换开关S1和第二切换开关S2断开时，无线充电系统输出恒流模式的等效电路如图3所示；当第一切换开关S1和第二切换开关S2闭合，无线充电系统输出恒压模式的等效电路如图4所示。
由分数阶电容的伏安特性关系
Figure BDA0003125057590000052
和拉氏变换可知，分数阶阶数为α1的分数阶电容的阻抗表达式可以表示为
Figure BDA0003125057590000053
可见，在频域内，分数阶电容可以等效为整数阶电阻
Figure BDA0003125057590000054
和整数阶电容
Figure BDA0003125057590000055
的串联组合。根据“C.Rong,B.Zhang andY.Jiang,Analysis of a Fractional-Order Wireless Power Transfer System,IEEETrans.Circuits Syst.II-Express Briefs vol.2020,67(10):1755-1759.”中提出的广义耦合模理论，图3和图4所示系统的耦合模方程可统一表述为：
Figure BDA0003125057590000056
对于图3所示电路，式(2)中，发射装置中的分数阶电容
Figure BDA0003125057590000057
为发射线圈的固有频率，
Figure BDA0003125057590000061
为接收线圈的固有频率，Γ10＝RS1/(2L1)为发射线圈的内阻损耗系数，Γ20＝RS2/(2L2)为发射线圈的内阻损耗系数，ΓL＝RL/(2L2)为负载系数，Γ2＝Γ20+ΓL为副边总损耗系数，
Figure BDA0003125057590000062
为发射装置与接收装置之间的耦合系数，
Figure BDA0003125057590000063
为发射线圈与接收线圈之间的互感耦合系数，M为原边电感和副边电感之间的互感。对于图4所示电路，
Figure BDA0003125057590000064
为接收线圈的固有频率，ΓL＝1/(2RLCR2)为负载系数。
式(2)中耦合模的定义为a1＝A1ejωt,a2＝A2ejωt，即可知分数阶电容所提供的等效负电阻增益系数gCα＝-0.5ωe1cot(α1π/2)。当系统工作在弱耦合区域条件下，式(2)的特征频率解可满足如下条件：
Figure BDA0003125057590000065
其中ω0＝-2Γ2tan(α1π/2),W＝-0.5k2ω2Γ2tan(α1π/2)和Q2＝ω2/2Γ2。由式(3)可以得到系统在稳态时的三个频率解：1)对称解
Figure BDA0003125057590000066
2)反对称解
Figure BDA0003125057590000067
3)非对称解ω＝ω0。系统存在一个临界耦合强度
Figure BDA0003125057590000068
在k>kC的耦合区域时，系统将运行在对称解或反对称频率解。而在k<kC的耦合区域时，系统则运行在非对称解ω0。
在k>kC的耦合区域内，系统效率满足如下条件：
Figure BDA0003125057590000069
其中，发射线圈品质因数Q1＝ω/2Γ10。在k>kC的耦合区域内，系统输出功率满足如下条件：
Figure BDA00031250575900000610
其中，UC为分数阶电容两端电压的有效值。
在k>kC的耦合区域内，图3所示电路将运行在对称解或反对称频率解，结合式(2)可知，系统原边和副边的电感电流满足如下条件：
Figure BDA0003125057590000071
可见，在无需原副边通信的情况下，仅通过控制有源分数阶电容输出电流i1的有效值
Figure BDA0003125057590000072
即可实现副边恒流输出。
在k>kC的耦合区域内，图4所示电路将运行在对称解或反对称频率解，结合式(2)可知，系统原边和副边的电容电压满足如下条件：
Figure BDA0003125057590000073
可见，在无需原副边通信的情况下，仅通过控制有源分数阶电容输出电压u1的有效值
Figure BDA0003125057590000074
即可实现副边恒压输出。
根据式(2)和式(3)的分析，图3和图4所示拓扑切换前后的系统参数需要满足如下条件：
Figure BDA0003125057590000075
其中，kmin为系统工作期间最小耦合强度，即最远距离处耦合强度，电池的等效电阻RB是系统从CC模式切换到CV模式时的临界电阻。图5给出了实施方式中恒流和恒压模式的电流电压曲线图，以及切换开关的时间点。
由上述分析可知，本发明的基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，在临界耦合范围内，本发明系统无需原、副边通信就可以实现在传输距离和负载变化的情况下输出恒定电压或者恒定电流，适合于锂电池、铅酸电池等各种蓄电池的动态无线充电，本发明的优点显而易见，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)

1.一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，其特征在于：该无线充电系统是利用分数阶电容作为增益源，为负载提供能量，通过投切电容支路实现恒压和恒流充电模式之间的切换，其包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括相连接的分数阶电容和发射线圈，所述接收装置包括串联连接的接收线圈、副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，所述副边补偿单元设有投切电容支路；其中，所述投切电容支路包括第一切换开关、第二切换开关、第一补偿电容和第二补偿电容，所述第一切换开关的一端与第一补偿电容和接收线圈的公共点相连接，其另一端与第一补偿电容和整流滤波电路的公共点相连接，所述第二补偿电容与第二切换开关串联后的一端与第一补偿电容和整流滤波电路的公共点相连接，其另一端与接收线圈和整流滤波电路的公共点相连接，通过切换第一切换开关和第二切换开关，使得无线充电系统能够在特定传输距离和宽负载范围内实现恒压充电和恒流充电模式的切换；当第一切换开关和第二切换开关断开时，通过控制分数阶电容的电流恒定实现恒流输出特性；当第一切换开关和第二切换开关闭合时，通过控制分数阶电容的电压实现恒压输出特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，其特征在于：所述分数阶电容的电压电流关系满足：
Figure FDA0003125057580000011
其中u1和i1分别为分数阶电容的电压和电流，Cα1为分数阶电容的容值，α1为分数阶电容的阶数。
3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈包括串联连接的原边电感和线圈内阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于分数阶电容的恒压恒流无线充电系统，其特征在于：所述接收线圈包括串联连接的副边电感和线圈内阻。
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