[发明专利]一种基于分数阶电容的半主动整流式无线电能传输装置

说明书

本发明提出了一种基于分数阶电容的半主动整流式无线电能传输装置。该装置由传统的半主动整流式无线电能传输装置改进得到，利用分数阶电容实现电源侧的零相角输出特性；分数阶电容可由半桥逆变器调节移相角和占空比，实现阶数和容值的可调性；在电源侧串联分数阶电容可通过实时调节分数阶电容的等效阻抗，控制电源侧的零相角输出，进而减少输入系统的无功功率，提升传输容量，降低传输损耗。同时通过半主动整流实现负载无关的可控恒流输出。

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种基于分数阶电容的半主动整流式无线电能传输装置。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)，又称非接触电能传输技术，是指通过发射端将电能转换成其他形式的能量(如电磁波、机械波等)，再由接收端将该能量收集并转换成电能的技术，可以实现一定距离的无线电能传输。传统的有线供电方式往往在有些特殊场合尤其在墙体、水下及生物体等施工难度大及高度灵活设备充电的场合不能使用。无线电能传输技术应运而生，它不仅能够有效解决传统有线供电方式存在大量复杂的电气接线问题，在减少机械开关操作并提高供电可靠性，减少物理耗材和施工周期等方面都有着显著的优点。

伴随着新能源技术的大力发展，负载的精密程度越来越高，更高效更便捷更稳定的电能供应方式受到广泛关注，所要求的充电条件也日趋严格，无线电能传输技术在供电稳定性方面也发展出了恒压、恒流及恒功率模式。已有的无线电能传输技术在接收端收集电能后需要通过整流电路才能被负载所使用，常见的有不可控整流电路和可控整流电路。随着技术的发展，可控整流电路因其更高的稳定性和输出可控性逐渐被人们所重视。可控整流电路通过控制开关管的移相角实现输出的可控性，但无法避免的导致其等效阻抗呈容性，无疑增加了系统无功，增大了传输损耗。为此，探究如何减少甚至消除系统的无功功率，降低传输损耗，成为了可控整流式无线电能传输技术需要克服的重要难题。分数阶电路(Fractional Order Circuits,FOC)在许多领域已有研究，分数阶元件因具有记忆特性而受到关注，但在无线电能传输系统中的应用还处于起步阶段。

基于前述问题，本发明通过可调式分数阶电容提供容性阻抗，在监测后端的感性阻抗后，通过实时调节分数阶电容的等效容抗大小确保电源侧的零相角 (Zero PhaseAngle,ZPA)输出，不仅能够保证可控整流电路原有的恒流模式输出，更能有效降低系统的无功功率，提升传输容量，减少传输损耗，提高传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分数阶电容的半主动整流式无线电能传输装置，该装置由传统的SS拓扑改进而来，在负载侧由半主动整流电路通过采集负载电流与预设电流值比较，输出移相信号来调节输出电流大小直至实现恒流输出；基于已有的半主动整流带来的感性等效阻抗导致系统发出无功功率的问题，在电源侧引入可调式分数阶电容，通过采集原边发射线圈的电压和电流值可得其等效阻抗，控制分数阶电容的半桥逆变器可有效调节其阶数和容值使系统整体总阻抗表现为纯阻性，进而实现电源的零相角输出特性，此时电源仅发出有功功率，不仅可以实现电源侧高频逆变器的软开关，也可以有效降低系统的传输损耗。

为了解决上述的技术问题，本发明的采用如下技术方案：

一种基于分数阶电容的半主动整流式无线电能传输装置，其特征在于，分为电源侧电路和负载侧电路

所述电源侧电路包含高频逆变器及分数阶电容；负载侧电路包含副边补偿单元、半主动整流电路、滤波电容及负载；发射线圈和接收线圈为电源侧电路和负载侧电路传输电能；

所述高频逆变器的一桥臂中点与分数阶电容一端相连，另一端与发射线圈电感L₁的一端相连，电感L₁的另一端与寄生电阻R_S1的一端相连，寄生电阻R_S1的另一端与高频逆变器的另一桥臂中点相连，形成串联回路；