分数阶电路系统谐振无线电能传输机理及关键问题研究

Wireless power transfer (WPT) is the hot topic around the world, novel principles and new methods should be investigated to promote the development of WPT nowadays. In this project, a fractional-order WPT system is proposed based on the concepts of fractional-order capacitor and inductor at the first time. The transfer characteristics of the proposed WPT system, such as the transfer efficiency, transfer power and transfer distance, will be analyzed according to the resonant frequency and quality factor of the fractional-order circuit. Based on the dynamic behavior of the fractional-order WPT system with the change of circuit parameters, the suitable parameters to realize the fractional-order WPT system will be provided. Thus, the mechanism of resonant wireless power transfer based on fractional-order circuit will be established systematically. The innovations of this project can be concluded as following. Firstly, the principle of WPT based on fractional-order circuit is completely different from the present integer-order resonant circuit.Secondly, compared to the integer-order resonant circuit, there are more controllable parameters in the fractional-order system. Then the transfer efficiency, transfer power and transfer distance can be improved dramatically due to the flexible resonant frequency and quality factor. Thirdly, the size of the fractional-order WPT system can be reduced significantly in some applications..

无线电能传输技术是国际上的前沿和热点研究方向，现阶段亟待提出新原理、新方法的无线电能传输方式。本项目以分数阶电容、电感概念构造新型的分数阶电路无线电能传输系统拓扑，探讨在谐振运行条件下的分数阶电路无线电能的传输特性，分析分数阶电路谐振无线电能传输效率、传输功率、传输距离与谐振频率、品质因数的关系，研究分数阶电路谐振无线电能系统随电路参数变化的非线性行为，提出适合谐振无线电能传输的分数阶电路系统参数，系统地形成分数阶电路谐振无线电能传输的新机理，从而推动无线电能传输技术研究的发展。. 本项目的创新之处在于：一是与现有整数阶电路元件构成的谐振无线电能传输研究思路不同，因而机理和研究方法是全新的；二是分数阶电路比整数阶电路可控的参数多，谐振频率、品质因数可控性好，可以有效提升传输效率、传输功率、传输距离；三是分数阶电路比整数阶电路相比，体积可以根据应用需要有效减小。

无线电能传输是目前国内外的前沿和热门研究领域，美国《科技评论》多年来都将其列为全球引领未来的科学技术之一。然而，现有感应、谐振无线电能传输原理均由国外学者提出，大量关键技术掌握在国外大公司手中，制约着我国无线电能传输技术发展和应用。. 本项目在国际上首次提出分数阶电路无线电能传输原理，突破了现有基于整数阶电路原理的无线电能传输机理，系统发展出基于分数阶电路原理的无线电能传输技术。目前，本项目已出版专著1本；发表论文108篇，其中，SCI论文47篇、EI论文17篇；获得72项专利授权，其中，美国发明专利2项、中国发明专利22项、实用新型专利48项，取得了一批原创性的成果： . (1) 深入研究了分数阶元件和电路的特性，提出了8种基础分数阶非自治电路和8种基础分数阶自治电路的无线电能传输系统，研究发现分数阶无线电能传输系统涵盖现有谐振和感应无线电能传输系统；提出了分数阶无线电能传输系统的能量法建模方法，研究发现耦合模建模方法只是能量建模方法的近似，为分数阶无线电能传输系统奠定了理论基础。. (2) 探讨了分数阶非自治电路无线电能传输系统的频率特性，研究发现分数阶系统谐振频率不仅取决于电感电容参数，还与分数阶元件的阶数密切相关，控制分数阶元件阶数，可以有针对性提高大容量电感电容的固有谐振频率，减低小容量电感电容的固有谐振频率，从而解决了整数阶无线电能传输系统中电感电容容量与谐振频率的矛盾。. (3) 系统分析了分数阶自治电路无线电能传输系统的功率、效率传输特性，研究发现利用分数阶元件的记忆特性，可以在提供负电阻的同时，改变系统固有频率和分数阶电容、电感，实现在传输距离、接收侧固有频率变化情况下，全方位恒定传输效率、功率，突破了现有感应、谐振无线电能传输系统关键瓶颈问题。. (4) 提出了实现分数阶电路无线电能传输系统技术和设计方法，主要包括：1）大功率分数阶元件构造方法；2）负电阻的分数阶构造技术；3）高频高增益驱动变换器；4）谐振频率检测方法。