[实用新型]一种分数阶并联型电磁场双耦合无线电能传输系统

说明书

本实用新型公开了一种分数阶并联型电磁场双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、分数阶并联型接收电路和负载；分数阶并联型发射电路由并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。本实用新型利用分数阶元件实现并联型电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，增加传输距离和效率，可实现恒压输出。

技术领域

本实用新型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型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，传统的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，谐振频率易受负载和距离的影响，系统易失谐，输出功率和传输效率的可调节因素少，且受高频电流源技术的限制，很难更进一步发展。

实用新型内容

本实用新型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型电磁场双耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现并联型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并联型电场耦合和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，并能够降低系统谐振频率，从而降低系统对高频电流源的电流等级要求和设计要求，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并联-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。