[發明專利]一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統

有效

• 申請號: 201410129812.6
• 申請日: 2014-03-31
• 公開（公告）號: CN103915912A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 張波;黃潤鴻;丘東元
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明屬于無線電能傳輸或無線輸電技術的領域，特別涉及一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統。

背景技術

無線電能傳輸或無線輸電技術早在100多年前就由美國發明家特斯拉（Nicola?Tesla）在實驗上得到嘗試。2006年，麻省理工學院（MIT）的研究人員利用物理的共振技術成功的在2m距離左右以40%的效率點亮了一個60W的燈泡，該實驗不僅僅是特斯拉實驗的重現，更是無線電能傳輸技術的又一個新突破，并且掀起了無線電能傳輸研究的熱潮。

無線電能傳輸技術是一種廣泛應用前景的電能傳輸方式，具有安全、可靠、靈活、方便等優點，已經日益受到世界各國的重視，并越來越廣泛應用于各種不適合或不方便使用有導線接觸傳輸電能的地方，如植入式醫療設備、移動電子產品、機器人、軌道電車供電等場合，并有望在不久的將來能夠在小功率電子產品無線充電方面取代傳統的插頭充電。

目前的無線電能傳輸系統都是基于整數階電感、電容實現的，其諧振頻率只由電感值和電容值決定，因此，其系統設計只需考慮參數值，無需考慮元件的階數，設計的自由度比較少。同時，實際系統的元件本質上是分數階的，但是目前實際中用的大部分的階數接近于1，對于分數階的情況完全忽略。傳統的通過整數階的建模來設計無線電能傳輸系統，在某些條件下，理論和實際的誤差可能會很大。

分數階器件（如分數階電容和分數階電感）概念的來源于分數階微積分的產生，而分數階微積分的概念已經有300多年的歷史，幾乎與整數階微積分同時誕生。但是由于分數階比較復雜，并且一直沒有很好的數值分析工具，因此其一直處于理論分析階段。近幾十年來，由于生物技術、高分子材料等的發展，人們發現整數階微積分不能很好的解釋自然界存在的現象，因此分數階微積分開始得到重視，并開始應用于工程領域，其在控制領域的研究和應用已日益完善。同時，兩端的分數階器件已經在實驗室被制造出來。但分數階電路與系統一些特殊的性質未得到研究，在無線電能傳輸領域的應用更是未被提及。

鑒于目前分數階元件或分數階電路在某些方面的巨大優勢，并且其還未被應用于無線電能傳輸領域，因此有必要提出一種分數階并-串聯諧振無線點電能傳輸系統。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統。

本發明通過如下技術方案實現：

一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統，包括高頻功率源、發射部分、接收部分和負載，發射部分包括并聯連接的原邊分數階電容和原邊分數階電感，原邊分數階電感具有原邊電阻；接收部分包括串聯連接的副邊分數階電容和副邊分數階電感，副邊分數階電感具有副邊電阻。

所述的一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統，原邊分數階電容、副邊分數階電容的電壓、電流微分關系均滿足：相位關系滿足：其中，i_C為分數階電容電流，v_C為分數階電容電壓，α為分數階電容的階數，并且0＜α≤2，C^α為分數階電容的值。

所述的一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統，原邊分數階電感副邊分數階電感的電壓、電流微分關系均滿足：相位關系滿足：其中，v_L為分數階電感的電壓，i_L為分數階電感的電流，β為分數階電感的階數，并且0＜β≤2，L^β為分數階電感的值。

所述的一種分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統中，發射部分和接收部分之間是通過分數階并-串聯諧振耦合的方式實現的無線電能傳輸。

本發明的工作原理為：發射部分和接收部分分別由原邊分數階電容原邊分數階電感原邊電阻R_P、副邊分數階電容副邊分數階電感副邊電阻R_S構成分數階RLC并-串聯諧振電路，發射部分和接收部分通過諧振耦合的方式實現電能的無線傳輸。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、采用分數階元件實現的無線電能傳輸，完全區別于以往的無線電能傳輸系統，增加了參數選擇的自由度。

2、通過選取元件的階數，可以大大降低無線電能傳輸系統的諧振頻率，從而降低對電力電子器件的要求，非常有利于實際系統的設計。

3、通過選擇適當的分數階階數，可以使傳輸功率更大。

附圖說明

圖1為本發明的分數階并-串聯諧振無線電能傳輸系統的示意圖。

圖2為α=1.2，β=0.9時的輸出功率與頻率f的關系曲線。