本發(fā)明涉及無線電能傳輸或無線輸電的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在100多年前，尼古拉·特斯拉(nikolatesla)在沒有任何導線連接的情況下點亮了燈泡，證明了電能無線傳輸?shù)目尚行浴Ｓ捎跓o線電能技術(shù)是一種非接觸式的電能傳輸技術(shù)，具有安全、可靠、靈活的優(yōu)點，越來越多的學者投入到無線電能傳輸領(lǐng)域中。

目前，無線電能傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式包括：磁感應(yīng)耦合、磁諧振耦合、電場耦合、微波、激光等。其中磁感應(yīng)耦合無線電能傳輸在工程應(yīng)用中極為廣泛，如植入式醫(yī)療設(shè)備、電動牙刷、手機、電動汽車等。當前的磁感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)都是基于整數(shù)階元件實現(xiàn)。

分數(shù)階元件(即分數(shù)階電感和分數(shù)階電容)的概念來源于分數(shù)階微積分。事實上，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、電容的分數(shù)階數(shù)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(shù)階影響，或有目的地利用它們的分數(shù)階數(shù)改進電路性能，且在一些應(yīng)用場合也已經(jīng)被證明比整數(shù)階元件更具優(yōu)勢，比如在阻抗匹配電路中的應(yīng)用。然而，分數(shù)階元件在并聯(lián)補償型感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用從未被提及，因此提出一種并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)具有實際價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點，提供了一種并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，利用分數(shù)階電感線圈進行感應(yīng)耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸，分數(shù)階電感線圈產(chǎn)生的磁鏈或電壓，不僅與電感值相關(guān)，而且與其分數(shù)階數(shù)相關(guān)，而分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)補償?shù)臒o功功率也與其中的分數(shù)階元件階數(shù)相關(guān)，參數(shù)設(shè)計靈活，易于優(yōu)化，性能完全區(qū)別于傳統(tǒng)并聯(lián)補償型整數(shù)階感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射部分、接收部分及與該發(fā)射部分連接的電流源和與該接收部分連接的負載，所述發(fā)射部分包括發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)、分數(shù)階電感發(fā)射線圈和發(fā)射電路內(nèi)阻，所述分數(shù)階電感發(fā)射線圈和發(fā)射電路內(nèi)阻串聯(lián)后與發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，所述發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)于發(fā)射部分中補償系統(tǒng)無功功率，所述接收部分包括接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)、分數(shù)階電感接收線圈和接收電路內(nèi)阻，所述分數(shù)階電感接收線圈和接收電路內(nèi)阻串聯(lián)后與接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，所述接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)于接收部分中補償系統(tǒng)無功功率；所述分數(shù)階電感發(fā)射線圈和分數(shù)階電感接收線圈通過電磁感應(yīng)耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸；所述發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)和接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)分別至少包含一個分數(shù)階電容。

所述分數(shù)階電感發(fā)射線圈的電壓、電流微分關(guān)系滿足：相位關(guān)系滿足阻抗為：式中，il1為分數(shù)階電感發(fā)射線圈電流，vl1為分數(shù)階電感發(fā)射線圈電壓，β1為分數(shù)階電感發(fā)射線圈的自感分數(shù)階數(shù)，并且0＜β1≤2，lβ1為分數(shù)階電感發(fā)射線圈的自感值，當β1取1時，分數(shù)階電感發(fā)射線圈即為整數(shù)階電感線圈；所述分數(shù)階電感接收線圈的電壓、電流微分關(guān)系滿足：相位關(guān)系滿足阻抗為：式中，il2為分數(shù)階電感接收線圈電流，vl2為分數(shù)階電感接收線圈電壓，β2為分數(shù)階電感接收線圈的自感分數(shù)階數(shù)，并且0＜β2≤2，lβ2為分數(shù)階電感接收線圈的自感值，當β2取1時，分數(shù)階電感接收線圈即為整數(shù)階電感線圈；所述分數(shù)階電感發(fā)射線圈和分數(shù)階電感接收線圈的互感值為m、互感階數(shù)為γ，互感的電壓、電流微分關(guān)系滿足或

所述分數(shù)階電容的電壓vc和電流ic微分關(guān)系滿足：相位關(guān)系滿足阻抗為：其中分數(shù)階階數(shù)滿足0＜α≤2，cα為分數(shù)階電容容值，ω為系統(tǒng)的工作角頻率，當分數(shù)階電容的階數(shù)為1時，即為整數(shù)階電容。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

1、采用分數(shù)階電感實現(xiàn)感應(yīng)耦合無線電能傳輸，增加了參數(shù)設(shè)計的自由度，完全區(qū)別于以往的整數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)。

2、采用包含分數(shù)階電容的補償網(wǎng)絡(luò)，不僅可以補償系統(tǒng)無功功率還可以補償系統(tǒng)的有功功率，而且補償?shù)墓β逝c元件階數(shù)有關(guān)，參數(shù)設(shè)計靈活，完全區(qū)別于以往的整數(shù)階并聯(lián)補償?shù)母袘?yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)。

3、通過適當?shù)卦O(shè)計分數(shù)階階數(shù)，可以使傳輸功率和效率更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施方式中本發(fā)明系統(tǒng)的具體電路圖。

圖3為實施方式中的α＝β時輸出功率與互感的關(guān)系曲線。

圖4為實施方式中為α＝β時效率與互感的關(guān)系曲線。

圖5為實施方式中為α≠β時輸出功率與互感的關(guān)系曲線。

圖6為實施方式中為α≠β時效率與互感的關(guān)系曲線。

圖7為實施方式中的α＝0.9,β＝1.1時的發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)的電壓電流時域波形。

圖8為實施方式中的α＝0.9,β＝1.1時的分數(shù)階電感發(fā)射線圈的電壓電流時域波形。

具體實施方式

為進一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容和特點，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行具體說明，但本發(fā)明的實施和保護不限于此。

參見圖1所示，本實施例所提供的并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射部分、接收部分及與該發(fā)射部分連接的電流源is和與該接收部分連接的負載rl，所述發(fā)射部分包括發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)、分數(shù)階電感發(fā)射線圈lβ1和發(fā)射電路內(nèi)阻rs1，所述分數(shù)階電感發(fā)射線圈lβ1和發(fā)射電路內(nèi)阻rs1串聯(lián)后與發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，所述發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)于發(fā)射部分中補償系統(tǒng)無功功率，所述接收部分包括接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)、分數(shù)階電感接收線圈lβ2和接收電路內(nèi)阻rs2，所述分數(shù)階電感接收線圈lβ2和接收電路內(nèi)阻rs2串聯(lián)后與接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，所述接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)于接收部分中補償系統(tǒng)無功功率；所述發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)和接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)分別至少包含一個分數(shù)階電容。

參見圖2所示，zc1代表發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)，zc2代表接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)，其中分數(shù)階電感發(fā)射線圈lβ1的階數(shù)和感值分別為β1和lβ1，β1滿足0＜β1≤2；分數(shù)階電感接收線圈lβ2的階數(shù)和感值分別為β2和lβ2，β2滿足0＜β2≤2；分數(shù)階電感發(fā)射線圈lβ1和分數(shù)階電感接收線圈lβ2通過電磁感應(yīng)耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸，其中互感值為m，互感階數(shù)為γ；在圖2中，發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)zc1采用了一個分數(shù)階電容組成，接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)zc2采用了一個分數(shù)階電容組成，因此，發(fā)射部分和接收部分的分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)阻抗表達式分別為：

其中，cα1、cα2分別為發(fā)射端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)和接收端分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)中的電容容值，分數(shù)階階數(shù)α1滿足0＜α1≤2，分數(shù)階階數(shù)α2滿足0＜α2≤2。由上述阻抗的表達式可知，當元件階數(shù)不為1時，補償網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部分量不為0，即分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)不僅可補償無功還可以補償有功。而整數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)只能補償無功。

由圖2根據(jù)kcl和kvl可得：

則由上述方程可解得輸出電壓為：

其中：

則輸出功率為：

為了實現(xiàn)系統(tǒng)全無功補償，接收部分需滿足接收端分數(shù)階電容與分數(shù)階接收電感線圈諧振，發(fā)射部分滿足輸入阻抗為純電阻特性，則可求得接收端和發(fā)射端的分數(shù)階電容需分別滿足：

其中：

則可得系統(tǒng)全無功補償時的輸入電壓為：

輸入功率為：

系統(tǒng)的傳輸效率表示為：

由上述方程可知，系統(tǒng)的輸出功率和效率不僅與工作頻率ω、互感m有關(guān)，還與電感階數(shù)β1、β2、γ和分數(shù)階補償網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)α1，α2有關(guān)。以下討論分數(shù)階階數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。為了分析方便，令發(fā)射部分和接收部分的分數(shù)階電容階數(shù)相等，分數(shù)階電感發(fā)射和接收線圈的自感階數(shù)和互感階數(shù)都相等即α1＝α2＝α、β1＝β2＝γ＝β。

1)當α＝β時，作為舉例，分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的具體參數(shù)為：is＝1a,rs1＝rs2＝1ω，rl＝10ω,lβ1＝lβ2＝lβ＝200μh,ω＝2π*20000rad/s，階數(shù)分別取β＝0.99,β＝1.00,β＝1.01。ca1和ca2的取值滿足系統(tǒng)全無功補償?shù)臈l件。輸出功率和效率與互感關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。由圖3可知當β＝1.01時，系統(tǒng)輸出功率和效率都高于整數(shù)階情況輸出功率大于整數(shù)階情況，尤其是在低互感的情況。

2)當α≠β時，作為舉例，系統(tǒng)元件階數(shù)分別取α＝0.9,β＝1.1、α＝1.1,β＝0.9、α＝0.8,β＝0.9，其它參數(shù)同上，輸出功率和效率與互感關(guān)系曲線如圖5和圖6所示。當α＝0.9,β＝1.1時，系統(tǒng)效率雖然只是略大于整數(shù)階的情況，但輸出功率比整數(shù)階的情況大很多，特別的在m＝150μh時，發(fā)射端補償網(wǎng)絡(luò)的電壓電流、分數(shù)階發(fā)射電感線圈電壓電流的時域波形如圖7和圖8。

由上述分析可知，本發(fā)明的并聯(lián)補償型分數(shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的并聯(lián)補償?shù)恼麛?shù)階感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)存在很大差異，本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)點顯而易見，值得推廣。

以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。