一种并联型自治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并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、分数阶并联型接收电路和负载；分数阶发射电路由串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于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；分数阶并联型接收电路由并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。本发明专利技术无需外加高频电源，利用电场和磁场耦合为负载供电，负载电导越小，输出功率和系统恒定运行的区间越大，且采用分数阶元件增加了参数选择的自由度。

A parallel autonomous electromagnetic field dual coupling radio energy transmission system

【技术实现步骤摘要】
一种并联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统
本专利技术涉及无线电能传输的
，尤其是指一种并联型自治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，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，很难实现小功率、远距离的无线电能传输。
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，提出了一种基于分数阶电感的并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的原边分数阶电感线圈与阶数小于或等于1的原边分数阶补偿电容和分数阶并联型接收电路构成自治系统，使原边分数阶电感线圈在为整个分数阶电磁场双耦合无线电能传输系统提供能量的同时，还参与磁场耦合传递能量到副边分数阶电感线圈，并且在阶数保持固定时，其工作频率和感值可以自动跟随系统参数变化，以实现系统传输效率和输出功率的双恒定，既实现了电场和磁场共同传输能量，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，又增加了系统参数设计的维度，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。且并联负载电导越小，输出功率和传输效率恒定运行的临界距离越远，极大地拓宽了系统高效稳定运行的工作区间，有利于消费电子、植入式医疗设备等小功率产品的远距离无线充电应用。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种并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、分数阶并联型接收电路和负载，所述分数阶并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大于1的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于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；所述原边分数阶电感线圈具有负电阻的性质，在为整个系统提供能量的同时，还参与磁场耦合传递能量到分数阶并联型接收电路，且在阶数保持固定时，其工作频率和感值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；所述原边分数阶电感线圈的视在功率恒定，具有两种工作模式：一是分数阶电感线圈的阶数恒定，工作频率和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感线圈自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感线圈自身稳定工作；所述分数阶并联型接收电路由并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，输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电导，负载电导越小，临界耦合距离就越远，有利于小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，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1<β1<2，0<β2≤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，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≤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、原边分数阶电感线圈在为整个系统提供能量的同时，还参与磁场耦合传递能量到副边分数阶电感线圈。7、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并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、分数阶并联型接收电路和负载(R

【技术特征摘要】
1.一种并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、分数阶并联型接收电路和负载(RL)，所述分数阶并联型接收电路与负载(RL)相连；所述分数阶发射电路由串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感线圈(Lβ1)、第一单端耦合电容金属极板、阶数小于或等于1的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；所述原边分数阶电感线圈(Lβ1)具有负电阻的性质，在为整个系统提供能量的同时，还参与磁场耦合传递能量到分数阶并联型接收电路，且在阶数保持固定时，其工作频率和感值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；所述原边分数阶电感线圈(Lβ1)的视在功率恒定，具有两种工作模式：一是分数阶电感线圈的阶数恒定，工作频率和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感线圈自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感线圈自身稳定工作；所述分数阶并联型接收电路由并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感线圈(Lβ2)、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(Cα2)和第四单端耦合电容金属极板构成，输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电导，负载电导越小，临界耦合距离就越远，有利于小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(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(...

【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