[发明专利]一种基于三次谐波注入的分数阶恒流输出无线电能传输装置

说明书

本发明的提供一种基于三次谐波注入的分数阶恒流输出无线电能传输装置，发射装置和接收装置；所述发射装置包括高频逆变器和含三次谐波注入的分数阶电容原边补偿单元，接收装置包括副边补偿单元、全桥整流滤波电路和负载；本发明提供的装置通过抽取三次谐波的能量来为主谐振回路的分数阶电容电路供能，从而可以减少实现分数阶电容所需要的额外电源，进一步将原边三次谐波能量传递到副边，提高了传输能力。另外可以通过调节分数阶电容的阶数和容值，来提高谐振电路的品质因数，消除原边寄生电阻对恒流特性的影响，实现了输出电流与负载完全意义上的无关。

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种基于三次谐波注入的分数阶恒流输出无线电能传输装置。

背景技术

随着新能源的发展，以电能为直接驱动力的电动交通工具正在被逐渐推广。传统接触式的充电方式由于线路老化快，易磨损等缺点，使得充电过程会存在安全隐患。无线电能传输技术由于能够将电能以电气隔离的形式传递到用电设备，不需要通过导线进行物理连接，克服了传统方式的弊端，在电动汽车、医疗器械等领域具有良好的前景，得到广泛的关注。

对于恒流负载，如LED灯、电池和超级电容器等，无线电能传输系统需要具有恒流输出的特性。目前主要通过以下四种方法实现恒流输出。第一种是设计高阶的补偿网络，由于无源器件(电感、电容)，寄生电阻不能忽略，无法实现真正的恒流输出；第二种是通过在接收测采用闭环控制策略，但需要增加额外的电路，导致接收设备的体积大大增大；第三种是对发射端进行闭环控制，但需要接收端和发射端进行双边通信来调节输出电流，当无线通信收到干扰时，系统会不稳定；第四种只对发射端进行控制，不需要双边通信，但需要高频采样和复杂的识别算法来识别二次侧参数进行闭环控制。

大量研究表明，目前所用的电感和电容实际上都不是严格意义上的整数阶元件，都具有一些分数阶的特性，同时，引入分数阶参数作为可调参数，不仅可以提高模型的自由度，还可以更准确的描述系统的特性，因此将分数阶电容引入无线电能传输系统具有很重要的意义。

目前，所设计的分数阶电容都需要一个额外的外加电源来实现,造成在应用分数阶电容的电路中存在多电源的现象。

在实际应用中，当多次谐波的含量过高，会使得电容器过电流过负荷，超出额定损耗功率，使得电容器异常发热，加速绝缘介质老化；另外多次谐波在一定数值的电感电容下会发生谐振，使得设备过压损坏；同时，多次谐波也会干扰通讯系统，降低信号传输质量甚至损害通讯设备等，因此我们通常是要降低电路中的谐波含量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的上述缺陷，提出一种基于三次谐波注入的分数阶恒流输出无线电能传输系统。在原边增加一个三次谐波能量收集电路，用来收集三次谐波的能量，经过全桥整流滤波后，将所收集到的能量为主谐振回路的分数阶电路供能，进一步将原边三次谐波能量传递到副边，提高了传输能力，也不再需要额外的电源。同时由于阶数在1-2之间的分数阶电容具有负电阻的特性可以用来抵消发射端的寄生电阻，使得主谐振回路上等效电阻为零，提高电路的品质因素，并且在接收端可以实现负载无关的完全意义上的恒流输出。

本发明采用如下技术方案：

一种基于三次谐波注入的分数阶恒流输出无线电能传输装置，其包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括高频逆变器和含三次谐波注入的分数阶电容原边补偿单元，接收装置包括副边补偿单元、全桥整流滤波电路和负载。

具体地，所述含三次谐波注入的分数阶电容原边补偿单元，包括寄生电阻、发射线圈L_T、分数阶电容C_α和三次谐波能量收集电路；所述三次谐波能量收集电路的一端、高频逆变器的一桥臂中点和分数阶电容C_α的一端相连，三次谐波能量收集电路的另一端、高频逆变器的另一桥臂中点与寄生电阻的一端相连，分数阶电容的另一端与原边线圈L_T的一端相连，原边线圈L_T的另一端与寄生电阻的另一端相连。