[发明专利]一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种分数阶并联‑串联型电场耦合无线电能传输系统，包括高频功率电流源、分数阶并联型发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，高频功率电流源与分数阶串联型发射电路并联连接，分数阶并联型发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连；分数阶并联型发射电路为由原边分数阶电感和原边分数阶补偿电容并联连接构成的谐振电路，分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感、副边分数阶补偿电容和负载串联连接构成的谐振电路。本发明利用分数阶元件实现电场耦合无线电能传输，增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，改善甚至消除负载和距离对系统谐振频率的影响。

技术领域

本发明涉及空间电场耦合无线电能传输的技术领域，尤其是指一种分数阶并联-串联型电场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感应耦合式无线电能传输技术、磁谐振耦合式无线电能传输技术、微波式无线电能传输技术和电场耦合式无线电能传输技术。其中，感应耦合式、磁谐振耦合式和电场耦合式无线电能传输技术研究最为广泛。

电场耦合无线电能传输技术作为目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。相对于磁谐振耦合无线电能传输技术而言，电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变，且在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量都分布在耦合极板之间，对周围环境的电磁干扰很小，此外，在电场耦合机构之间或周围存在金属障碍物时，导体上不产生涡流损耗。

目前，传统的空间电场耦合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，传统的并联-串联型空间电场耦合无线电能传输系统是基于整数阶元件实现的，系统参数设计的自由度小，谐振频率受负载和距离的影响，易失谐，输出功率和传输效率的可调节因素少，受高频电流源技术的限制，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，提出了一种分数阶并联-串联型电场耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现电场耦合无线电能传输，增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，能够有效改善甚至消除负载和距离对系统谐振频率的影响，从而有利于避免系统失谐的发生，降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求，且能够有效提高系统的输出功率，适用于大功率的应用场合，性能完全区别于传统的整数阶并联-串联补偿型电场耦合无线电能传输系统。