[发明专利]一种串联型自治电磁场双耦合无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种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。本发明无需外加高频电源，利用电场和磁场耦合为负载供电，负载电阻越小，输出功率和系统效率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。

技术领域

本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种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。

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感的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串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。且串联负载电阻越小，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。