CN211296323U - 一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和负载；分数阶发射电路由串联连接的阶数小于或等于1的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、阶数大于1的原边分数阶补偿电容、和第二单端耦合电容金属极板构成；分数阶串联型接收电路由串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于1的副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成。本实用新型系统结构简单，无需外加高频电源，利用电场和磁场耦合两种传输方式为负载进行供电，可实现更大功率、更远距离的无线电能传输，且采用分数阶元件也增加了参数选择的自由度。

Description

一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种无电压源串联型自治电磁场双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磁场耦合式无线电能传输技术、电场耦合式无线电能传输技术和微波式无线电能传输技术。其中，微波式虽然传输距离可以达到很远，但效率极低、功率小且耗散严重，目前应用较少。在实际应用场合，磁场耦合式和电场耦合式由于传输功率较大、效率较高，近年来被研究较多。但这两种方式的传输性能均严重受传输距离的限制。随着距离增大，传输效率将大大降低，不利于系统的实际应用。目前，电场耦合式无线输电的传输距离多在厘米等级，磁场耦合式的传输距离多在几十厘米的等级。如何有效提高无线电能传输的距离并保持系统的高效性是该技术目前面临的一个重要难题。

目前，传统的空间电场耦合式和磁场耦合式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，分数阶元件在电场和磁场耦合无线电能传输系统中的应用从未被提及，且现有的电场和磁场耦合无线电能传输系统的传输效率受传输距离的影响较大，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。此外，受环境温度、负载、周边金属物体或电磁环境等的影响，电场和磁场耦合无线电能传输系统中谐振器的谐振频率极易发生偏移。且系统参数设计的自由度小，输出功率和传输效率的可调节因素少，易受高频逆变电源技术的限制，很难实现更大功率和更远距离的无线电能传输。

实用新型内容

本实用新型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无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，利用阶数大于1的原边分数阶补偿电容与阶数小于或等于1的原边分数阶电感线圈和分数阶串联型接收电路构成自治系统，使阶数大于1的原边分数阶补偿电容不仅为整个分数阶电磁场双耦合无线电能传输系统提供能量，同时在阶数保持固定时，原边分数阶补偿电容的工作频率和容值可以自动跟随系统参数变化，无需任何其他调节，以实现系统传输效率和输出功率的双恒定，解决了传统电场耦合、磁场耦合和电磁场双耦合无线电能传输系统在谐振频率偏移、电场耦合系数和互感耦合系数变化造成的效率下降或输出功率不稳定的固有瓶颈问题。与此同时，还实现了电场和磁场共同传输能量，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，大大增加了传统电场耦合和磁场耦合无线电能传输的传输距离和效率。且负载电阻越小，输出功率和传输效率恒定运行的距离越远，有利于更大功率、更远距离的实现，极大地拓宽了无线电能传输在电动汽车等大功率领域的应用前景。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，所述系统包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和负载，所述分数阶串联型接收电路与负载相连；所述分数阶发射电路由串联连接的阶数小于或等于1的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、阶数大于1的原边分数阶补偿电容、和第二单端耦合电容金属极板构成；所述原边分数阶补偿电容具有负电阻的性质，为整个系统提供能量，且在远距离内其工作频率和容值在阶数固定时能够自动跟随系统参数变化，使系统的传输效率和输出功率对系统参数变化具有强鲁棒性，恒定不变；所述原边分数阶补偿电容的视在功率恒定，有两种工作模式：一是分数阶补偿电容的阶数恒定，工作频率和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路由串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于1的副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成，其电流增益恒定不变，输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电阻，负载电阻越小，临界耦合距离就越远，有利于实现更大功率负载的远距离无线供电；所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板；所述原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载进行无线供电。

进一步，所述原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中，i_Ln为分数阶电感线圈的电流，u_Ln为分数阶电感线圈的电压，L_βn为分数阶电感线圈的感值，

为分数阶电感线圈的相位，β_n为分数阶电感线圈的阶数，并且0<β_n≤1，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1<α₁<2，0<α₂≤1，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

进一步，当原边分数阶电感线圈、副边分数阶电感线圈在阶数为1时，即为整数阶电感线圈；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。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、同时利用电场耦合和磁场耦合两种传输方式为负载进行无线供电，使得系统的传输效率较传统的电场耦合、磁场耦合无线电能传输系统得到提高，传输距离得到增加，实现远距离且稳定的无线电能传输。

2、采用分数阶元件实现的空间电场和磁场双耦合无线电能传输，完全区别于以往的电场及磁场耦合无线电能传输系统，增加了参数选择的自由度，有利于系统设计。

3、系统结构简单，无需外加高频电源，摆脱了高频电源技术的发展限制。

4、系统的传输效率和输出功率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。

5、系统的传输效率和输出功率可以自动适应电场耦合系数、互感耦合系数和谐振频率的变化。

6、负载电阻越小，输出功率和系统效率恒定运行的区间越大。

7、有利于更大功率、更远距离的无线电能传输，尤其适用于大功率负载的应用场合，拓宽了无线电能传输技术在电动汽车等大功率领域的应用前景。

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

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

如图1和图2所示，本实施例所提供的无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和负载R_L，所述分数阶串联型接收电路与负载R_L相连；所述分数阶发射电路由串联连接的阶数小于或等于1的原边分数阶电感线圈L_β1、第一单端耦合电容金属极板、阶数大于1的原边分数阶补偿电容C_α1、和第二单端耦合电容金属极板构成；所述原边分数阶补偿电容C_α1具有负电阻的性质，为整个系统提供能量，且在远距离内其工作频率和容值在阶数固定时能够自动跟随系统参数变化，使系统的传输效率和输出功率对系统参数变化具有强鲁棒性，恒定不变；所述原边分数阶补偿电容C_α1的视在功率恒定，有两种工作模式：一是分数阶补偿电容的阶数恒定，工作频率和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路由串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感线圈L_β2、第三单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于1的副边分数阶补偿电容C_α2和第四单端耦合电容金属极板构成，其电流增益恒定不变，输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电阻，负载电阻越小，临界耦合距离就越远，有利于实现更大功率负载的远距离无线供电，从而进一步拓宽了无线电能传输技术在电动汽车等大功率领域的应用前景；所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板C_c1，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板C_c2；所述原边分数阶电感线圈L_β1和副边分数阶电感线圈L_β2之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板C_c1、C_c2各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载R_L进行无线供电。

原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈的阶数和感值分别是β₁、β₂和L_β1、L_β2；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。原边分数阶电感线圈、原边分数阶补偿电容、副边分数阶电感线圈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，分数阶电感线圈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}分别为原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容虚部阻抗分量的电压。

g₁、τ_2L分别为发射电路的增益率和接收电路的总损耗率，且g₁＝-(τ_Cα1+τ_Lβ1)，τ_2L＝τ_Cα2+τ_Lβ2+τ_L，其中τ_Cα1、τ_Lβ1、τ_Cα2、τ_Lβ2、τ_L分别为电路中各元件的损耗率，具体表达式如下：

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线圈的感值和分数阶补偿电容的容值，还与分数阶电感线圈和分数阶补偿电容的阶数有关，而传统的整数阶电场和磁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。

为电磁场能量耦合系数，其中k_c为电场耦合系数，k_m为互感耦合系数，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，且k_c、k_m<<1。

根据耦合模方程可求得系统存在稳态解的条件为：

又由式(1)和(11)可得：

则可得系统传输效率一般式为：

输出功率一般式为：

其中：

式中，U_Cα1为原边分数阶补偿电容的电压有效值。

由式(1)可解得系统的工作频率解为：

当原边分数阶电容工作在阶数固定的模式时，令α₁＝α₀为常数，因此由上式可得系统在原边分数阶电容阶数固定时的电场和互感耦合系数和(又称为电磁场耦合系数)的范围为：

k₀为系统的临界工作点。当k_c+k_m<k₀时，原边分数阶补偿电容不能工作在阶数固定模式，否则原边分数阶补偿电容无工作频率解不能稳定工作，所以此时原边分数阶补偿电容自动切换为工作频率固定模式，即ω＝ω₂。

当k_c+k_m≥k₀时，原边分数阶补偿电容工作在阶数固定模式α₁＝α₀，令k_max为系统设计的最大电磁场耦合系数。根据式(3)-(11)，可得到当系统参数满足下式时：

则τ_L/τ_2L约为常数，且传输效率可以近似为：

输出功率近似为：

S_Cα1为原边分数阶补偿电容的视在功率，因此由上式可知，k_c+k_m≥k₀时系统传输效率和输出功率与电磁场耦合系数和谐振频率无关。

当k_c+k_m<k₀时，由式(11)-(16)可得系统传输效率和输出功率为：

由上述分析可知，本实用新型所提供的无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统在设计的电磁场耦合系数范围内，无论是电磁场耦合系数的变化或者是谐振频率的偏移，系统都可以实现效率和输出功率恒定高效的传输，且临界耦合系数取决于负载电阻的大小，有利于实现大功率、远距离的无线电能传输，这与传统的无线电能传输系统存在较大差异，本实用新型系统的优点显而易见，值得推广。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和负载(R_L)，所述分数阶串联型接收电路与负载(R_L)相连；所述分数阶发射电路由串联连接的阶数小于或等于1的原边分数阶电感线圈(L_β1)、第一单端耦合电容金属极板、阶数大于1的原边分数阶补偿电容(C_α1)、和第二单端耦合电容金属极板构成；所述原边分数阶补偿电容(C_α1)具有负电阻的性质，为整个系统提供能量；所述原边分数阶补偿电容(C_α1)的视在功率恒定，有两种工作模式：一是分数阶补偿电容的阶数恒定，工作频率和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和容值自动跟随系统参数变化以保持分数阶补偿电容自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路由串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感线圈(L_β2)、第三单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于1的副边分数阶补偿电容(C_α2)和第四单端耦合电容金属极板构成，其电流增益恒定不变，输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电阻，负载电阻越小，临界耦合距离就越远，有利于实现更大功率负载的远距离无线供电；所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板(C_c1)，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板(C_c2)；所述原边分数阶电感线圈(L_β1)和副边分数阶电感线圈(L_β2)之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板(C_c1、C_c2)各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载(R_L)进行无线供电。

2.根据权利要求1所述的一种无电压源串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶电感线圈(L_β1)和副边分数阶电感线圈(L_β2)的电压、电流微分关系满足：

相位关系满足：

其中，i_Ln为分数阶电感线圈的电流，u_Ln为分数阶电感线圈的电压，L_βn为分数阶电感线圈的感值，

为分数阶电感线圈的相位，β_n为分数阶电感线圈的阶数，并且0<β_n≤1，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所述的一种无电压源串联型自治电磁场双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1<α₁<2，0<α₂≤1，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

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