[发明专利]一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶并联型接收电路和耦合电容金属极板，分数阶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；分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感和阶数小于或等于1的原边分数阶电容；分数阶串联型接收电路包括并联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感、阶数小于或等于1的副边分数阶电容和负载。本发明结构简单可靠，无需高频电压源，系统效率和传输功率可以自动适应电场耦合系数和谐振频率的变化，有利于实现小功率、远距离无线电能传输，拓宽无线电能传输技术在消费电子、植入式医疗设备等小功率产品上的应用前景。

技术领域

本发明涉及空间电场耦合无线电能传输的技术领域，尤其是指一种并联型自治分数阶电路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，如电动汽车等城市交通设备，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。

传统的接收电路并联型的空间电场耦合无线电能传输系统的传输效率受传输距离的影响较大，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，系统有效传输电能的区间很短，不利于系统的实际应用。而且，受环境温度、负载、周边金属物体或电磁环境等的影响，电场耦合无线电能传输系统中谐振器的谐振频率极易发生偏移，且谐振频率的轻微偏移都会导致电能无法完全传输，因此，传统方法不能适应系统受外界环境或内部因素干扰导致谐振频率和传输距离偏移的情况，传输效率和输出功率不能保持稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种并联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，利用阶数大于1的原边分数阶电感的负电阻特性为整个系统提供电能，并利用阶数大于1的原边分数阶电感与阶数小于或等于1的分数阶电容和分数阶并联型接收电路构成自治系统，使原边分数阶电感在阶数固定时，其工作频率和感值可以自动跟随系统参数变化，实现系统传输效率和输出功率对系统参数变化的强鲁棒性，恒定功率和效率输出，解决了传统电场耦合无线电能传输系统在谐振频率和电场耦合系数发生轻微偏移，造成的效率迅速下降或输出功率不稳定的固有瓶颈问题。同时，利用负载电导越小，输出功率和传输效率恒定运行的临界距离越远的特性，扩大了系统高效稳定运行的工作区间，有利于消费电子、植入式医疗设备等小功率产品的远距离无线充电应用。