[实用新型]一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统

说明书

技术领域

本实用新型属于无线电能传输或无线输电技术的领域，特别一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输或无线输电技术早在100多年前就由美国实用新型家特斯拉（Nicola Tesla）在实验上得到尝试。2006年，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用物理的共振技术成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验不仅仅是特斯拉实验的重现，更是无线电能传输技术的又一个新突破，并且掀起了无线电能传输研究的热潮。

目前的无线电能传输系统都是基于整数阶电感、电容实现的，其谐振频率只由电感值和电容值决定，因此，其系统设计只需考虑参数值，无需考虑元件的阶数，设计的自由度比较少。同时，实际系统的元件本质上是分数阶的，但是目前实际中用的大部分的阶数接近于1，对于分数阶的情况完全忽略。传统的通过整数阶的建模来设计无线电能传输系统，在某些条件下，理论和实际的误差可能会很大。

分数阶器件（例如分数阶电容和分数阶电感）概念的来源于分数阶微积分的产生，而分数阶微积分的概念已经有300多年的历史，几乎与整数阶微积分同时诞生。但是由于分数阶比较复杂，并且一直没有很好的数值分析工具，因此其一直处于理论分析阶段。近几十年来，由于生物技术、高分子材料等的发展，人们发现整数阶微积分不能很好的解释自然界存在的现象，因此分数阶微积分开始得到重视，并开始应用于工程领域，其在控制领域的研究和应用已日益完善。同时，两端的分数阶器件已经在实验室被制造出来。但分数阶电路与系统一些特殊的性质未得到研究，在无线电能传输领域的应用更是未被提及。

鉴于目前分数阶元件或分数阶电路在某些方面的巨大优势，并且其还未被应用于无线电能传输领域，因此有必要提出一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统，包括高频功率源I_S、发射部分、接收部分和负载R_L；发射部分包括并联连接的原边分数阶电容和原边分数阶电感原边分数阶电感具有原边电阻R_P；接收部分包括并联连接的副边整数阶电容C_S和副边整数阶电感L_S，副边整数阶电感L_S具有副边电阻R_S。

所述的一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统，原边分数阶电容和副边分数阶电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，i_C为分数阶电容电流，v_C为分数阶电容电压，α为分数阶电容的阶数，并且0＜α≤2，C^α为分数阶电容的值。公式中α＝1时即为所述的整数阶电容所满足的关系。

所述的一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统，原边分数阶电感和副边整数阶电感的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，v_L为分数阶电感的电压，i_L为分数阶电感的电流，β为分数阶电感的阶数，并且0＜β≤2，L^β为分数阶电感的值。公式中β＝1时即为所述的整数阶电感所满足的关系。

所述的一种整数阶和分数阶混合并联谐振无线电能传输系统中，发射部分和接收部分之间是通过并联谐振耦合的方式实现的无线电能传输。

本实用新型的工作原理为：发射部分和接收部分分别由原边分数阶电容原边分数阶电感原边电阻R_P、副边整数阶电容C_S、副边整数阶电感L_S、副边电阻R_S构成RLC并联谐振电路，或发射部分和接收部分分别由原边整数阶电容C_P、原边整数阶电感L_P、原边电阻R_P、副边分数阶电容副边分数额阶电感副边电阻R_S构成RLC并联谐振电路，发射部分和接收部分通过谐振耦合的方式实现电能的无线传输。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、采用分数阶元件实现的无线电能传输，完全区别于以往的无线电能传输系统，增加了参数设计的自由度。

2、通过选取元件的阶数，可以大大降低无线电能传输系统的谐振频率，从而降低对电力电子器件的要求，非常有利于实际系统的设计。