[發明專利]一種無電壓源串聯型自治電磁場雙耦合無線電能傳輸系統

在審

• 申請號: 201911301511.6
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN110971004A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 張波;疏許健;江彥偉;魏芝浩
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02J50/05
• 分類號: H02J50/05;H02J50/12;H02J50/70
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種無電壓源串聯型自治電磁場雙耦合無線電能傳輸系統，包括分數階發射電路、分數階串聯型接收電路和負載；分數階發射電路由串聯連接的階數小于或等于1的原邊分數階電感線圈、第一單端耦合電容金屬極板、階數大于1的原邊分數階補償電容、和第二單端耦合電容金屬極板構成；分數階串聯型接收電路由串聯連接的階數小于或等于1的副邊分數階電感線圈、第三單端耦合電容金屬極板、階數小于或等于1的副邊分數階補償電容和第四單端耦合電容金屬極板構成。本發明系統結構簡單，無需外加高頻電源，利用電場和磁場耦合兩種傳輸方式為負載進行供電，可實現更大功率、更遠距離的無線電能傳輸，且采用分數階元件也增加了參數選擇的自由度。

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸的技術領域，尤其是指一種無電壓源串聯型自治電磁場雙耦合無線電能傳輸系統。

背景技術

根據電能傳輸實現機理和方式的不同，無線電能傳輸技術大致上可分為磁場耦合式無線電能傳輸技術、電場耦合式無線電能傳輸技術和微波式無線電能傳輸技術。其中，微波式雖然傳輸距離可以達到很遠，但效率極低、功率小且耗散嚴重，目前應用較少。在實際應用場合，磁場耦合式和電場耦合式由于傳輸功率較大、效率較高，近年來被研究較多。但這兩種方式的傳輸性能均嚴重受傳輸距離的限制。隨著距離增大，傳輸效率將大大降低，不利于系統的實際應用。目前，電場耦合式無線輸電的傳輸距離多在厘米等級，磁場耦合式的傳輸距離多在幾十厘米的等級。如何有效提高無線電能傳輸的距離并保持系統的高效性是該技術目前面臨的一個重要難題。

目前，傳統的空間電場耦合式和磁場耦合式無線電能傳輸系統根據電感和電容的連接方式不同可分為串聯-串聯型、串聯-并聯型、并聯-串聯型和并聯-并聯型。其中，發射電路采用串聯連接適用于電壓源型逆變器作為電源提供電能，而接收電路采用串聯連接適用于電流源型逆變器作為電源提供電能。接收電路采用串聯連接適用于大功率負載的應用場合，如電動汽車等，而接收電路采用并聯連接則適用于小功率負載的應用場合，如手機等消費電子產品，不同的連接方式均具有重大的研究意義和實際應用價值。

分數階元件(即分數階電感和分數階電容)的概念來源于分數階微積分。事實上，整數階電感、電容元件在自然界并不存在，只是目前采用的電感、電容的分數階數接近于1。隨著人們對電感、電容特性認識的不斷深入，開始考慮它們的分數階影響，或有目的地利用它們的分數階數改進電路性能，且在一些應用場合也已經被證明比整數階元件更具優勢，比如在阻抗匹配電路中的應用。

然而，分數階元件在電場和磁場耦合無線電能傳輸系統中的應用從未被提及，且現有的電場和磁場耦合無線電能傳輸系統的傳輸效率受傳輸距離的影響較大，通常傳輸效率隨著距離的增大而大大降低，不利于系統的實際應用。此外，受環境溫度、負載、周邊金屬物體或電磁環境等的影響，電場和磁場耦合無線電能傳輸系統中諧振器的諧振頻率極易發生偏移。且系統參數設計的自由度小，輸出功率和傳輸效率的可調節因素少，易受高頻逆變電源技術的限制，很難實現更大功率和更遠距離的無線電能傳輸。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出了一種基于分數階電容的無電壓源串聯型自治電磁場雙耦合無線電能傳輸系統，利用階數大于1的原邊分數階補償電容與階數小于或等于1的原邊分數階電感線圈和分數階串聯型接收電路構成自治系統，使階數大于1的原邊分數階補償電容不僅為整個分數階電磁場雙耦合無線電能傳輸系統提供能量，同時在階數保持固定時，原邊分數階補償電容的工作頻率和容值可以自動跟隨系統參數變化，無需任何其他調節，以實現系統傳輸效率和輸出功率的雙恒定，解決了傳統電場耦合、磁場耦合和電磁場雙耦合無線電能傳輸系統在諧振頻率偏移、電場耦合系數和互感耦合系數變化造成的效率下降或輸出功率不穩定的固有瓶頸問題。與此同時，還實現了電場和磁場共同傳輸能量，使得兩種耦合方式產生的耦合機制相互疊加，大大增加了傳統電場耦合和磁場耦合無線電能傳輸的傳輸距離和效率。且負載電阻越小，輸出功率和傳輸效率恒定運行的距離越遠，有利于更大功率、更遠距離的實現，極大地拓寬了無線電能傳輸在電動汽車等大功率領域的應用前景。