一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种分数阶串联‑并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，包括高频功率电压源、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型接收电路和负载；分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容和第二单端耦合电容金属极板构成，分数阶并联型接收电路由并联连接的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成，第一、三单端耦合电容金属极板和第二、四单端耦合电容金属极板分别配成一对相互作用的耦合电容金属极板。本发明专利技术利用分数阶元件实现电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，传输距离和效率得到增加，可实现恒压输出。

A fractional order series parallel electromagnetic field dual coupling radio energy transmission system

【技术实现步骤摘要】
一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统
本专利技术涉及空间电场耦合无线电能传输的
，尤其是指一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统。
技术介绍
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，传统的串联-并联型电场耦合式和磁场耦合式无线电能传输系统都是基于整数阶元件实现的，系统参数设计的自由度小，谐振频率易受距离的影响，系统易失谐，输出功率和传输效率的可调节因素少，且受高频电压源技术的限制，很难更进一步发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，不仅大大增加了传统串联-并联型电场耦合和串联-并联型磁场耦合无线电能传输的传输距离和效率，还增加了参数设计的维度，易于系统优化，且能够实现恒压输出，有效降低系统谐振频率和系统对高频电压源的电压等级要求和设计要求，减小甚至消除分数阶补偿电容对距离的依赖性，改善甚至避免系统失谐的发生，小功率负载具有高传输效率，适用于小功率的应用场合，性能也完全区别于传统的整数阶串联-并联型电场耦合、磁场耦合及电磁场双耦合的无线电能传输系统。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，所述系统包括高频功率电压源、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型接收电路和负载，所述高频功率电压源与分数阶串联型发射电路相连，为整个系统提供电能，所述分数阶并联型接收电路与负载相连；所述分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容和第二单端耦合电容金属极板构成，所述分数阶并联型接收电路由并联连接的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成，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，通过调节分数阶元件的阶数能够实现恒压输出及提高系统的传输功率。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，iLn为分数阶电感线圈的电流，uLn为分数阶电感线圈的电压，Lβn为分数阶电感线圈的感值，为分数阶电感线圈的相位，βn为分数阶电感线圈的阶数，并且0<βn≤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，iCn为分数阶补偿电容的电流，uCn为分数阶补偿电容的电压，Cαn为分数阶补偿电容的容值，为分数阶补偿电容的相位，αn为分数阶补偿电容的阶数，并且0<αn≤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依赖于距离，还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改善甚至消除距离变化对分数阶补偿电容值的影响，从而改善甚至避免系统发生失谐。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压源的电压等级要求和设计要求。进一步，所述负载的功率越小，其传输效率越高，即小功率负载具有高传输效率。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。本专利技术与现有技术相比，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显著提高，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，输出功率和传输效率易于调节。3、通过选取分数阶元件的阶数，可以有效改善甚至消除距离对分数阶补偿电容值的影响，有利于避免系统发生失谐。4、通过调节分数阶元件的阶数，可以大大降低系统的谐振频率，从而降低对高频功率电压源及电力电子器件的要求，非常有利于实际系统的设计。5、通过选择适当的分数阶元件的阶数，可以实现恒压输出，有利于恒压负载的无线供电。6、越小功率负载具有越高传输效率，通过控制分数阶元件的阶数，可以有效提高传输功率，有利于小功率场合的应用。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专利技术的内容和特点，以下结合附图对本专利技术的具体实施方案进行具体说明，但本专利技术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串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，包括高频功率电压源Us、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括高频功率电压源(U

【技术特征摘要】
1.一种分数阶串联-并联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括高频功率电压源(Us)、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型接收电路和负载(RL)，所述高频功率电压源(Us)与分数阶串联型发射电路相连，为整个系统提供电能，所述分数阶并联型接收电路与负载(RL)相连；所述分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈(Lβ1)、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容(Cα1)和第二单端耦合电容金属极板构成，所述分数阶并联型接收电路由并联连接的副边分数阶电感线圈(Lβ2)、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容(Cα2)和第四单端耦合电容金属极板构成，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(Cc1)，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(Cc2)，所述原边分数阶电感线圈(Lβ1)和副边分数阶电感线圈(Lβ2)之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板(Cc1、Cc2)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(RL)进行无线供电，通过调节分数阶元件的阶数能够实现恒压输出及提高系统的传输功率。


2.根据权利要求1所述的一种分数阶串联-并联型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(Lβ1)和副边分数阶电感线圈(Lβ2)的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，iLn为分数阶电感线圈的电流，uLn为分数阶电感线圈的电压，Lβn为分数阶电感线圈的感值，为分数阶电感线圈的相位，βn为分数阶电感线圈的阶数，并且0<βn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射...

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