一种分数阶串联-并联型电场耦合无线电能传输系统的制作方法

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串联-并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，传统的串联-并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，谐振频率受距离的影响较大，易失谐，输出功率和传输效率的可调节因素少，且受高频电压源技术的限制，很难更进一步的发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种分数阶串联-并联型电场耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现串联-并联型电场耦合无线电能传输，增加了系统参数设计的维度，易于系统优化，能够实现恒压输出，有效降低系统谐振频率和系统对高频电压源的电压等级要求和设计要求，改善补偿电容对距离的依赖性，小功率负载具有高传输效率，适用于小功率的应用场合，性能完全区别于传统的整数阶串联-并联补偿型电场耦合无线电能传输系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种分数阶串联-并联型电场耦合无线电能传输系统，所述系统包括高频功率电压源、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型接收电路和耦合电容金属极板，所述高频功率电压源与分数阶串联型发射电路相连，所述分数阶串联型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；所述分数阶串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串联连接构成的谐振电路，所述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并联连接构成的谐振电路，通过调节分数阶元件的阶数，能够实现恒压输出及提高传输功率。

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，iln为分数阶电感的电流，uln为分数阶电感的电压，lβn为分数阶电感的感值，为分数阶电感的相位，βn为分数阶电感的阶数，并且0<βn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中icn为分数阶补偿电容的电流，ucn为分数阶补偿电容的电压，cαn为分数阶补偿电容的容值，为分数阶补偿电容的相位，αn为分数阶补偿电容的阶数，并且0<αn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。

进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电容值不仅依赖于距离，还取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够改善甚至消除距离变化对分数阶补偿电容值的影响。

进一步，所述系统的谐振频率取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够降低系统的谐振频率，从而降低系统对高频电压源的设计要求。

进一步，所述负载功率越小，其传输效率越高，即小功率负载具有高传输效率。

进一步，当原边分数阶电感、副边分数阶电感在阶数为1时，即为整数阶电感；当原边分数阶补偿电容、副边分数阶补偿电容在阶数为1时，即为整数阶电容。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用分数阶元件实现的空间电场耦合无线电能传输，完全区别于以往的电场耦合无线电能传输系统，增加了参数选择的自由度，易于系统设计。

2、通过选取分数阶元件的阶数，可以有效改善甚至消除距离对分数阶补偿电容值的影响，有利于避免系统发生失谐。

3、通过调节分数阶元件的阶数，可以大大降低系统的谐振频率，从而降低对高频电压源及电力电子器件的要求，有利于实际系统的实现和设计。

4、通过调节分数阶元件的阶数，可以实现恒压输出，适用于恒压负载的无线供电。

5、越小功率负载具有越高传输效率，通过控制分数阶元件的阶数，可以有效提高传输功率，有利于小功率场合的应用。

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，本实施例所提供的分数阶串联-并联型电场耦合无线电能传输系统，包括高频功率电压源us、分数阶串联型发射电路、分数阶并联型接收电路和耦合电容金属极板，所述高频功率电压源us与分数阶串联型发射电路相连，所述分数阶串联型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cc1、cc2相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶串联型发射电路为由原边分数阶电感lβ1和原边分数阶补偿电容cα1串联连接构成的谐振电路，所述分数阶串联型接收电路为由副边分数阶电感lβ2、副边分数阶补偿电容cα2和负载rl并联连接构成的谐振电路，通过调节分数阶元件的阶数，能够实现恒压输出及提高传输功率。

其中，原边分数阶电感和副边分数阶电感的阶数和感值分别是β1、β2和lβ1、lβ2，β1、β2满足0<β1、2≤2；原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的阶数和容值分别是α1、α2和cα1、cα2，α1、α2满足0<α1、2≤2。原边分数阶电感、原边分数阶补偿电容、副边分数阶电感和副边分数阶补偿电容阻抗表达式分别是：

由上述阻抗表达式可知，分数阶电感可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电感的串联，分数阶补偿电容可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电容的串联，即：

根据耦合模理论，系统的耦合模方程为：

式中，a1和a2被定义为原边谐振电路和副边谐振电路储能的复变量，其模值的平方表示谐振电路储存的能量，具体表达式为：

式中，i1和i2分别为发射电路的电流和接收电路的电流，ucα1_eq和ucα2_eq分别为原边分数阶电容和副边分数阶电容虚部阻抗分量的电压。

τ1、τ2分别为发射电路的总损耗率和接收电路的总损耗率，且τ1＝τcα1+τlβ1，τ2＝τcα2+τlβ2+τl，其中τcα1、τlβ1、τcα2、τlβ2分别为电路中各元件的损耗率，τl为负载系数，具体表达式如下：

负载系数为：

ω1、ω2分别为发射和接收器的谐振角频率，表达式如下：

由上式可知，系统的谐振角频率不仅取决于分数阶电感的感值和分数阶补偿电容的容值，还与分数阶电感和补偿电容的阶数有关，而传统的整数阶电场耦合无线电能传输系统的谐振角频率只由电感值和补偿电容值决定。

为电场能量耦合系数，其中k为电场耦合系数，具体表达式如下：

这里，cc1和cc2是单对耦合金属极板的等效电容，一般有cc1≈cc2＝εs/d，s为极板的面积，d为传输距离。

fe^jωt为外加激励在耦合模公式中的表达式，且us为外加高频功率电压源的有效值。

根据耦合模方程可求得a1和a2的稳态解为：

则发射电路和接收电路的能量|a1|²、|a2|²分别为：

由此可得系统的输出功率和传输效率分别为：

为了使系统发射电路和接收电路实现系统的谐振补偿，则工作角频率满足：ω＝ω1＝ω2，则系统的输出功率和传输效率可表示为：

由上述方程可知，系统的输出功率和传输效率不仅与电源的工作角频率ω和耦合电容值cc有关，还与分数阶电感的阶数β1、β2和分数阶补偿电容α1、α2的阶数有关。而传统的电场耦合无线电能传输系统的输出功率和传输效率只与工作角频率ω和耦合电容cc有关。

由上述分析可知，本发明利用分数阶元件实现串联-并联型电场耦合无线电能传输，增加了系统参数设计的维度，易于系统优化，能够实现恒压输出，有效降低系统谐振频率和系统对高频电压源的设计要求，改善补偿电容对负载和距离的依赖性，越小功率负载具有越高传输效率，适用于小功率的应用场合，性能完全区别于传统的整数阶串联-并联补偿型电场耦合无线电能传输系统，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。