[發(fā)明專利]一種串聯(lián)型自治電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911301567.1
• 申請(qǐng)日: 2019-12-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110943549A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張波;疏許健;江彥偉;魏芝浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J50/10
• 分類號(hào): H02J50/10;H02J50/12;H02J50/05
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發(fā)明公開(kāi)了一種串聯(lián)型自治電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括分?jǐn)?shù)階發(fā)射電路、分?jǐn)?shù)階串聯(lián)型接收電路和負(fù)載；分?jǐn)?shù)階發(fā)射電路由串聯(lián)連接的階數(shù)大于1的原邊分?jǐn)?shù)階電感線圈、第一單端耦合電容金屬極板、階數(shù)小于或等于1的原邊分?jǐn)?shù)階補(bǔ)償電容、和第二單端耦合電容金屬極板構(gòu)成；分?jǐn)?shù)階串聯(lián)型接收電路由串聯(lián)連接的階數(shù)小于或等于1的副邊分?jǐn)?shù)階電感線圈、第三單端耦合電容金屬極板、階數(shù)小于或等于1的副邊分?jǐn)?shù)階補(bǔ)償電容和第四單端耦合電容金屬極板構(gòu)成。本發(fā)明無(wú)需外加高頻電源，利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合為負(fù)載供電，負(fù)載電阻越小，輸出功率和系統(tǒng)效率恒定運(yùn)行的區(qū)間越大，且采用分?jǐn)?shù)階元件增加了參數(shù)選擇的自由度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種串聯(lián)型自治電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)

根據(jù)電能傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)理和方式的不同，無(wú)線電能傳輸技術(shù)大致上可分為磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)、電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)和微波式無(wú)線電能傳輸技術(shù)。其中，微波式雖然傳輸距離可以達(dá)到很遠(yuǎn)，但效率極低、功率小且耗散嚴(yán)重，目前應(yīng)用較少。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式由于傳輸功率較大、效率較高，近年來(lái)被研究較多。但這兩種方式的傳輸性能均嚴(yán)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(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。目前，電場(chǎng)耦合式無(wú)線輸電的傳輸距離多在厘米等級(jí)，磁場(chǎng)耦合式的傳輸距離多在幾十厘米的等級(jí)。如何有效提高無(wú)線電能傳輸?shù)木嚯x并保持系統(tǒng)的高效性是該技術(shù)目前面臨的一個(gè)重要難題。

目前，傳統(tǒng)的空間電場(chǎng)耦合式和磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)根據(jù)電感和電容的連接方式不同可分為串聯(lián)-串聯(lián)型、串聯(lián)-并聯(lián)型、并聯(lián)-串聯(lián)型和并聯(lián)-并聯(lián)型。其中，發(fā)射電路采用串聯(lián)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(lián)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(lián)連接適用于大功率負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車等，而接收電路采用并聯(lián)連接則適用于小功率負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合，如手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品，不同的連接方式均具有重大的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

分?jǐn)?shù)階元件(即分?jǐn)?shù)階電感和分?jǐn)?shù)階電容)的概念來(lái)源于分?jǐn)?shù)階微積分。事實(shí)上，整數(shù)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?jǐn)?shù)階數(shù)接近于1。隨著人們對(duì)電感、電容特性認(rèn)識(shí)的不斷深入，開(kāi)始考慮它們的分?jǐn)?shù)階影響，或有目的地利用它們的分?jǐn)?shù)階數(shù)改進(jìn)電路性能，且在一些應(yīng)用場(chǎng)合也已經(jīng)被證明比整數(shù)階元件更具優(yōu)勢(shì)，比如在阻抗匹配電路中的應(yīng)用。

然而，分?jǐn)?shù)階元件在電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用從未被提及，且現(xiàn)有的電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)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(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。此外，受環(huán)境溫度、負(fù)載、周邊金屬物體或電磁環(huán)境等的影響，電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中諧振器的諧振頻率極易發(fā)生偏移。且系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的自由度小，輸出功率和傳輸效率的可調(diào)節(jié)因素少，易受高頻逆變電源技術(shù)的限制，很難實(shí)現(xiàn)更大功率和更遠(yuǎn)距離的無(wú)線電能傳輸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出了一種基于分?jǐn)?shù)階電感的串聯(lián)型自治電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，利用階數(shù)大于1的原邊分?jǐn)?shù)階電感線圈與階數(shù)小于或等于1的原邊分?jǐn)?shù)階補(bǔ)償電容和分?jǐn)?shù)階串聯(lián)型接收電路構(gòu)成自治系統(tǒng)，使原邊分?jǐn)?shù)階電感線圈在為整個(gè)分?jǐn)?shù)階電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還參與磁場(chǎng)耦合傳遞能量到副邊分?jǐn)?shù)階電感線圈，并且在階數(shù)保持固定時(shí)，其工作頻率和感值可以自動(dòng)跟隨系統(tǒng)參數(shù)變化，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率和輸出功率的雙恒定，既實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同傳輸能量，大大增加了傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x和效率，又增加了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的維度，解決了傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和電磁場(chǎng)雙耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在諧振頻率偏移、電場(chǎng)耦合系數(shù)和互感耦合系數(shù)變化造成的效率下降或輸出功率不穩(wěn)定的固有瓶頸問(wèn)題。且串聯(lián)負(fù)載電阻越小，輸出功率和傳輸效率恒定運(yùn)行的距離越遠(yuǎn)，有利于更大功率、更遠(yuǎn)距離的實(shí)現(xiàn)，極大地拓寬了無(wú)線電能傳輸在電動(dòng)汽車等大功率領(lǐng)域的應(yīng)用前景。