一种串‑并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种串‑并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，包括发射部分、接收部分及与发射部分连接的电压源和与接收部分连接的负载，发射部分包括串联连接的发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈和发射电路内阻，接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈和接收电路内阻，分数阶电感接收线圈和接收电路内阻串联后与接收端分数阶补偿网络并联。本实用新型专利技术利用分数阶电感线圈进行感应耦合实现无线电能传输，同时发射端分数阶补偿网络串联于发射部分中补偿系统无功功率，接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率，系统参数设计灵活，易于优化。

A series parallel compensated fractional inductively coupled wireless power transmission system

The utility model discloses a series parallel compensated fractional inductively coupled wireless power transmission system includes a transmitting part and a receiving part and transmitting part voltage source and connected with the load receiving part of the connection, the transmitting part comprises a series connection of transmitter fractional compensation network, fractional inductor transmitter and transmitting circuit the receiving part comprises a receiving end resistance, fractional compensation network, fractional inductor receiving coil and the receiving circuit resistance, fractional inductor receiving coil and receiving circuit resistance in series and the receiving end of the fractional parallel compensation network. The utility model uses fractional inductance coil of inductive coupling to realize wireless power transmission, the sender of the fractional compensation network is connected in series with the reactive power compensation system transmitting part, receiving fractional compensation network parallel to receive part of the reactive power compensation system, system parameter design is flexible, easy to optimize.

【技术实现步骤摘要】
一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统
本技术涉及无线电能传输或无线输电的
，尤其是指一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统。
技术介绍
在100多年前，尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡，证明了电能无线传输的可行性。由于无线电能技术是一种非接触式的电能传输技术，具有安全、可靠、灵活的优点，越来越多的学者投入到无线电能传输领域中。目前，无线电能传输的实现方式包括：磁感应耦合、磁谐振耦合、电场耦合、微波、激光等。其中磁感应耦合无线电能传输在工程应用中极为广泛，如植入式医疗设备、电动牙刷、手机、电动汽车等。当前的磁感应耦合无线电能传输系统都是基于整数阶元件实现。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，分数阶元件在串-并联补偿型感应耦合无线电能传输系统中的应用从未被提及，因此提出一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统具有实际价值。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，利用分数阶电感线圈进行感应耦合实现电能的无线传输，分数阶电感线圈产生的磁链或电压，不仅与电感值相关，而且与其分数阶数相关，而分数阶补偿网络补偿的无功功率也与其中的分数阶元件阶数相关，参数设计灵活，易于优化，性能完全区别于传统整数阶元件实现的串-并联补偿型感应耦合无线电能传输系统。为实现上述目的，本技术所提供的技术方案为：一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，包括发射部分、接收部分及与该发射部分连接的电压源和与该接收部分连接的负载，所述发射部分包括串联连接的发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈和发射电路内阻，所述发射端分数阶补偿网络串联于发射部分中补偿系统无功功率，所述接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈和接收电路内阻，所述分数阶电感接收线圈和接收电路内阻串联后与接收端分数阶补偿网络并联，所述接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈通过电磁感应耦合实现电能的无线传输；所述发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络分别至少包含一个分数阶电容。所述分数阶电感发射线圈的电压、电流微分关系满足：相位关系满足阻抗为：式中，iL1为分数阶电感发射线圈电流，vL1为分数阶电感发射线圈电压，β1为分数阶电感发射线圈的自感分数阶数，并且0＜β1≤2，Lβ1为分数阶电感发射线圈的自感值，当β1取1时，分数阶电感发射线圈即为整数阶电感线圈；所述分数阶电感接收线圈的电压、电流微分关系满足：相位关系满足阻抗为：式中，iL2为分数阶电感接收线圈电流，vL2为分数阶电感接收线圈电压，β2为分数阶电感接收线圈的自感分数阶数，并且0＜β2≤2，Lβ2为分数阶电感接收线圈的自感值，当β2取1时，分数阶电感接收线圈即为整数阶电感线圈；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈的互感值为M、互感阶数为γ，互感的电压、电流微分关系满足或所述分数阶电容的电压vC和电流iC微分关系满足：相位关系满足阻抗为：其中分数阶阶数满足0＜α≤2，Cα为分数阶电容容值，ω为系统的工作角频率，当分数阶电容的阶数为1时，即为整数阶电容。本技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、采用分数阶电感线圈实现感应耦合无线电能传输，增加了参数设计的自由度，完全区别于以往的整数阶感应耦合无线电能传输系统。2、采用包含分数阶电容的补偿网络，不仅可以补偿系统无功功率还可以补偿系统的有功功率，而且补偿的功率与分数阶数有关，参数设计灵活，完全区别于以往的整数阶串并联补偿的感应耦合无线电能传输系统。3、通过适当地设计分数阶阶数，可以使传输功率更大。附图说明图1为本技术的串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统的结构示意图。图2为实施方式中所述系统的具体电路图。图3为实施方式中的α＝β时输出功率与互感的关系曲线。图4为实施方式中为α＝β时效率与互感的关系曲线。图5为实施方式中为α≠β时输出功率与互感的关系曲线。图6为实施方式中为α≠β时效率与互感的关系曲线。图7为实施方式中的α＝0.8,β＝1.2时的发射端分数阶补偿网络的电压电流时域波形。图8为实施方式中的α＝0.8,β＝1.2时的分数阶电感发射线圈的电压电流时域波形。具体实施方式为进一步阐述本技术的内容和特点，以下结合附图对本技术的具体实施方案进行具体说明，但本技术的实施和保护不限于此。参见图1所示，本实施例所提供的串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，包括发射部分、接收部分及与该发射部分连接的电压源VS和与该接收部分连接的负载RL，所述发射部分包括串联连接的发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈Lβ1和发射电路内阻RS1，所述发射端分数阶补偿网络串联于发射部分中补偿系统无功功率，所述接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈Lβ2和接收电路内阻RS2，所述分数阶电感接收线圈Lβ2和接收电路内阻RS2串联后与接收端分数阶补偿网络并联，所述接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率；所述发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络分别至少包含一个分数阶电容。参见图2所示，ZC1代表发射端分数阶补偿网络，ZC2代表接收端分数阶补偿网络，其中分数阶电感发射线圈Lβ1的阶数和感值分别为β1和Lβ1，β1满足0＜β1≤2；分数阶电感接收线圈Lβ2的阶数和感值分别为β2和Lβ2，β2满足0＜β2≤2；分数阶电感发射线圈Lβ1和分数阶电感接收线圈Lβ2通过电磁感应耦合实现电能的无线传输，其中互感值为M，互感阶数为γ；在图2中，发射端分数阶补偿网络ZC1采用了一个分数阶电容组成，接收端分数阶补偿网络ZC2采用了一个分数阶电容组成，因此，发射部分和接收部分的分数阶补偿网络阻抗表达式分别为：其中Cα1,Cα2分别为发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络中的电容容值，分数阶阶数α1满足0＜α1≤2，分数阶阶数α2满足0＜α2≤2。由上述阻抗的表达式可知，分数阶补偿网络不仅可补偿无功还可以补偿有功，并且阶数大于1时，分数阶补偿网络的阻抗具有负电阻性质。而整数阶补偿网络只能补偿无功。由图2根据KCL和KVL可得：则由上述方程可解得输出电压为：其中：则可以求得输出功率为：为了实现系统全无功补偿，接收部分需满足接收端分数阶电容与分数阶接收电感线圈谐振，发射部分满足输入阻抗为纯电阻特性，则可求得接收端和发射端的分数阶电容需分别满足：其中：则可得系统全无功补偿时的输入电流为：其中：则输入功率为：系统的传输效率表示为：由上述方程可知，系统的输出功率和效率不仅与工作频率ω、互感M有关，还与电感线圈的自感阶数β1、β2、互感阶数γ和分数阶补偿网络的阶数α1，α2有关。以下讨论分数阶阶数对系统性能的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串‑并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括发射部分、接收部分及与该发射部分连接的电压源和与该接收部分连接的负载，所述发射部分包括串联连接的发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈和发射电路内阻，所述发射端分数阶补偿网络串联于发射部分中补偿系统无功功率，所述接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈和接收电路内阻，所述分数阶电感接收线圈和接收电路内阻串联后与接收端分数阶补偿网络并联，所述接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈通过电磁感应耦合实现电能的无线传输；所述发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络分别至少包含一个分数阶电容。

【技术特征摘要】
1.一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括发射部分、接收部分及与该发射部分连接的电压源和与该接收部分连接的负载，所述发射部分包括串联连接的发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈和发射电路内阻，所述发射端分数阶补偿网络串联于发射部分中补偿系统无功功率，所述接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈和接收电路内阻，所述分数阶电感接收线圈和接收电路内阻串联后与接收端分数阶补偿网络并联，所述接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈通过电磁感应耦合实现电能的无线传输；所述发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络分别至少包含一个分数阶电容。2.根据权利要求1所述的一种串-并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述分数阶电感发射线圈的电压、电流微分关系满足：相位关系满足阻抗为：式中，iL1为分数阶电感发射线圈电流，vL...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，江彦伟，疏许健，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44