CN110943547B - 一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型自治分数阶电路电场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耦合电容金属极板，分数阶发射电路和分数阶并联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连；分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感和阶数小于或等于1的原边分数阶电容；分数阶串联型接收电路包括并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感、阶数小于或等于1的副边分数阶电容和负载。本发明结构简单可靠，无需高频电压源，系统效率和传输功率可以自动适应电场耦合系数和谐振频率的变化，有利于实现小功率、远距离无线电能传输，拓宽无线电能传输技术在消费电子、植入式医疗设备等小功率产品上的应用前景。

Description

一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统

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，尤其是指一种并联型自治分数阶电路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，如电动汽车等城市交通设备，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。

传统的接收电路并联型的空间电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，系统有效传输电能的区间很短，不利于系统的实际应用。而且，受环境温度、负载、周边金属物体或电磁环境等的影响，电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，且谐振频率的轻微偏移都会导致电能无法完全传输，因此，传统方法不能适应系统受外界环境或内部因素干扰导致谐振频率和传输距离偏移的情况，传输效率和输出功率不能保持稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，利用阶数大于1的原边分数阶电感的负电阻特性为整个系统提供电能，并利用阶数大于1的原边分数阶电感与阶数小于或等于1的分数阶电容和分数阶并联型接收电路构成自治系统，使原边分数阶电感在阶数固定时，其工作频率和感值可以自动跟随系统参数变化，实现系统传输效率和输出功率对系统参数变化的强鲁棒性，恒定功率和效率输出，解决了传统电场耦合无线电能传输系统在谐振频率和电场耦合系数发生轻微偏移，造成的效率迅速下降或输出功率不稳定的固有瓶颈问题。同时，利用负载电导越小，输出功率和传输效率恒定运行的临界距离越远的特性，扩大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，本发明所提供的技术方案为：一种并联型自治分数阶电路电场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耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶并联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感和阶数小于或等于1的原边分数阶电容，所述原边分数阶电感具有负电阻特性，为整个系统提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时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不敏感，保持恒定不变；所述原边分数阶电感的视在功率恒定，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，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自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路包括并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感、阶数小于或等于1的副边分数阶电容和负载，其电压增益恒定不变，其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。

进一步，所述原边分数阶电感和副边分数阶电感的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，i_L为分数阶电感的电流，u_L为分数阶电感的电压，β为分数阶电感的阶数，为分数阶电感的相位，L_β为分数阶电感的感值，并且原边分数阶电感的阶数1<β<2，副边分数阶电感的阶数0<β≤1。

进一步，所述原边分数阶电容和副边分数阶电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中i_C为分数阶电容的电流，u_C为分数阶电容的电压，α为分数阶电容的阶数，并且0<α≤1，C_α为分数阶电容的容值，为分数阶电容的相位。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本系统结构简单，无需高频电压源。

2、本系统效率和传输功率对传输距离的变化不敏感。

3、本系统效率和传输功率可以自动适应电场耦合系数和谐振频率的变化。

4、负载电导越小，输出功率和系统效率恒定运行的距离越远。

5、有利于实现小功率、远距离无线电能传输，拓宽了无线电能传输技术在消费电子、植入式医疗设备等小功率产品上的应用前景。

附图说明

图1为实施方式中提供的具体系统结构示意图。

图2为实施方式中提供的具体系统的等效电路原理图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1和图2所示，本实施例所提供的并联型自治分数阶电路电场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耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶并联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板C_c1、C_c2相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感L_β1和阶数小于或等于1的原边分数阶电容C_α1，所述原边分数阶电感L_β1具有负电阻特性，为整个系统提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时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不敏感，保持恒定不变；所述原边分数阶电感L_β1的视在功率恒定，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，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自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路包括并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感L_β2、阶数小于或等于1的副边分数阶电容C_α2和负载R_L。

本实施例上述系统的工作原理为：利用阶数大于1的原边分数阶电感L_β1与阶数小于或等于1的分数阶电容C_α1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L_β1的参数可以自动跟随系统参数变化，以实现系统传输效率和功率的恒定；原边分数阶电感L_β1为系统提供能量，同时，原边分数阶电感L_β1优先工作在阶数固定的模式，此时原边分数阶电感L_β1会自动选择工作频率和感值以保持稳定工作。当系统参数变化时，原边分数阶电感L_β1工作频率和感值会自动跟随系统变化，并自动保持系统传输效率和输出功率的恒定，当系统参数变化超过设定范围时，原边分数阶电感L_β1自动切换为工作频率固定的模式，以保持稳定工作。利用阶数小于或等于1的副边分数阶电感L_β2、阶数小于或等于1的副边分数阶电容C_α2和负载R_L并联连接组成分数阶并联型接收电路，其电压增益恒定不变，使输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载R_L电导，负载R_L电导越小，临界耦合距离越远，有利于小功率负载的远距离无线供电，从而拓宽了无线电能传输技术在消费电子、植入式医疗设备等小功率产品上的应用前景。

根据耦合模理论，系统的耦合模方程为：

式中，g₁、τ_2L分别为发射电路的增益率和接收电路的损耗率，且g₁＝-(τ_Cα1+τ_Lβ1)，τ_2L＝τ_Cα2+τ_Lβ2+τ_L，其中τ_Cα1、τ_Lβ1、τ_Cα2、τ_Lβ2、τ_L分别为电路中各元件的损耗率，其中k为电场耦合系数，ω₁、ω₂分别为发射和接收器的谐振角频率，表达式如下：

分数阶发射电路的元件损耗率具体表达式如下：

负载损耗系数为：

分数阶并联型接收电路的总损耗系数为：

负载损耗系数比为：

由式(1)可以得到系统存在稳态解的条件为：

又由式(1)和式(9)可得：

则可得系统效率一般式为：

系统输出功率一般式：

其中：

式中，I_Lβ1为分数阶电感的电流有效值。

由式(1)可以得到，系统工作频率解为：

当原边分数阶电感工作在阶数固定的模式时，令β₁＝β₀为常数，因此，由上式可得系统在原边分数阶电感阶数固定时的互感耦合系数的范围为：

k₀为系统的临界工作点。当k<k₀时，原边分数阶电感不能工作在阶数固定模式，否则原边分数阶电感无工作频率解不能稳定工作，所以此时原边分数阶电感自动切换为工作频率固定模式，即ω＝ω₂。

当k≥k₀时，原边分数阶电感工作在阶数固定模式β₁＝β₀，令k_m为系统设计的最大互感系数。根据式(3)-(9)，可得到当系统参数满足下式时：

τ_L＞＞τ_Cα2+τ_Lβ2 (17)

则τ_L/τ_2L约为常数，且传输效率可以近似为：

输出功率近似为：

S_Lβ1为原边分数阶电感的视在功率，因此由上式可知，k≥k₀时系统传输效率和输出功率与互感系数和谐振频率无关。

当k<k₀时，由式(9)-(14)，可得系统传输效率和输出功率为：

由上述分析可知，本发明所提供的并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，在设计的电场耦合系数范围内，无论是电场耦合系数的变化或者是谐振频率的偏移，系统都可以实现效率和输出功率恒定高效的传输，且在小功率负载下的高效恒定运行距离越远，有利于小功率负载的远距离无线供电，从而极大地拓宽无线电能传输技术在消费电子、植入式医疗设备等小功率产品上的应用前景，这与传统的电场耦合无线电能传输系统存在较大差异，本发明系统的优点显而易见，值得推广。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括分数阶发射电路、分数阶并联型接收电路和耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶并联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板C_c1、C_c2相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感L_β1和阶数小于或等于1的原边分数阶电容C_α1，所述原边分数阶电感L_β1具有负电阻特性，为整个系统提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时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不敏感，保持恒定不变；所述原边分数阶电感L_β1的视在功率恒定，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，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自身稳定工作；所述分数阶并联型接收电路包括并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感L_β2、阶数小于或等于1的副边分数阶电容C_α2和负载R_L，其电压增益恒定不变，其输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载R_L电导，负载R_L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；

所述原边分数阶电感L_β1和副边分数阶电感L_β2的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，i_L为分数阶电感的电流，u_L为分数阶电感的电压，β为分数阶电感的阶数，为分数阶电感的相位，L_β为分数阶电感的感值，并且原边分数阶电感的阶数1<β<2，副边分数阶电感的阶数0<β≤1；

所述原边分数阶电容C_α1和副边分数阶电容C_α2的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中i_C为分数阶电容的电流，u_C为分数阶电容的电压，α为分数阶电容的阶数，并且0<α≤1，C_α为分数阶电容的容值，为分数阶电容的相位。