CN112803614A - 基于接收端等效负电阻pt对称的无线供电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统及控制方法，属于无线电能传输或无线输电技术领域。针对现有无线供电技术中存在的接收端位置敏感问题，以及发射端负电阻供电模式下PT对称区域小、工作频率不稳定等问题，本发明提供一种基于接收端等效负电阻的PT无线电能供电系统，发射端回路为：逆变器产生的交流电源、电容、发射线圈、以及发射端的内阻损耗依次串联而成；接收端回路为：接收端线圈、接收端电容，接收端损耗内阻和负载串联而成，实现将接收端的等效输入源控制为负电阻‑R_m实现PT对称无线电能传输，在PT对称区域内，耦合腔恒定功率传输，提高系统效率实现大功率能量传输。

Description

基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输或无线输电技术领域，更具体地说，涉及一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统及控制方法。

背景技术

相比于有线电能传输、无线电力传输(Wireless Power Transfer,WPT)方式在电源与用电设备之间没有导线，实现了电气隔离，避免了安全隐患，提高了用电设备的灵活性。现有磁耦合无线电能传输技术可分为感应式和谐振式，部分研究成果已经应用于电子消费、植入医疗、电动汽车无线充电领域。但是现有磁耦合供电系统，输出功率对接收线圈的位置敏感、接收端和发射端需要严格对齐，在谐振点处，发射和接收两线圈距离过近，输出功率反而极低。

宇称-时间(PT)对称量子理论由Bender.C.M教授所创立，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域。近些年来研究学者将宇称-时间(PT)对称量子理论应用于无线电能传输领域，展现出了巨大的优势，但传统的基于宇称-时间对称原理的无线传输系统是将发射端的输入源等效为负电阻-R_n实现PT对称无线电能传输，虽然可以保证接收线圈在一定范围内保持恒定功率传输(称之为PT对称区域)，但是恒定功率传输范围较小；并且在功率不恒定区域(PT对称破坏区域)内，功率会急剧上升，影响供电稳定性；且系统工作频率对负载变化敏感，在恒定功率区域内随负载阻值变化而变化。

中国专利申请一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统，申请号201911029813.2，公开日2019年12月24日，公开了一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统，包括n个发射装置、n个接收装置和n个负载，n为大于或等于2的自然数；每个发射装置均由串联连接的负电阻、发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成，负电阻为系统提供能量，n个发射装置的发射线圈之间互相解耦或者处于弱耦合状态；每个接收装置均由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成，且一个负载串联一个接收装置，n个接收装置的接收线圈之间互相解耦或者处于弱耦合状态。该发明利用PT对称原理实现多负载之间功率的分配与控制，并采用多频传输，解决线圈之间交叉耦合对系统的影响，实现可以同时稳定高效地为多个负载提供恒定功率，在实际应用中，具有显著优势。该发明基于发射端等效负电阻PT对称，PT对称范围小，负载电阻值改变后会影响系统的工作频率，系统稳定性不高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有无线供电技术中存在的接收端位置敏感问题，以及发射端负电阻PT对称区域小、工作频率不稳定等问题，本发明提供一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线电能供电系统及控制方法，它可以实现将接收端的等效输入源控制为负电阻-R_m实现PT对称无线电能传输，在PT对称区域内，耦合腔恒定功率传输，提高系统效率实现大功率能量传输。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，包括发射端的发送装置和接收端的接收装置，发送装置包括交流电源、发射端线圈、发射端补偿电容、发射端等效损耗内阻，接收装置包括接收线圈、接收端谐振电容、接收端等效损耗内阻以及负载；所述交流电源、发射端线圈、发射端补偿电容、发射端等效损耗内阻串联，所述接收线圈、接收端谐振电容、接收端等效损耗内阻以及负载串联，接收线圈和接收端谐振电容构成提供能量的等效负电阻。

更进一步的，所述接收端等效负电阻两端的电压和流过的电流关系为

相位关系为

其中

为流过接收端等效负电阻的基波电流的有效值，

为接收端等效负电阻两端的基波电压有效值，-R_m为接收端等效负电阻的阻值。

更进一步的，所述发射端LC串联谐振频率为：

所述接收端LC串联谐振频率为

接收端等效负电阻PT对称的条件为：

上述公式中，ω₀为PT对称条件下的谐振频率，R_L为负载阻值，-R_m为接收端等效负电阻阻值，L₁和L₂分别为发射端线圈和接收端线圈电感值，C₁和C₂分别为发射端和接收端补偿的谐振电容值，R₁、R₂分别为发射端和接收端等效损耗内阻值，k为发射线圈和接收线圈之间的互感系数，k₀为PT对称的临界耦合系数。

更进一步的，若无线供电系统工作频率ω与PT对称条件下的谐振频率ω₀不相等，接收端等效负电阻R_m为：

系统角频率ω为：

耦合系数k的范围为:

发射端谐振腔损耗电阻R₁小于接收端谐振腔损耗电阻R₂与负载电阻R_L之和，即R₁<R₂+R_L，所以基于接收端等效负电阻PT对称的区域大于基于发送端等效负电阻PT对称的区域。

更进一步的，若无线供电系统工作频率ω与PT对称条件下的谐振频率ω₀相等，接收端等效负电阻R_m为：

更进一步的，系统的工作频率f为：

其中

为系统的固有谐振频率，

供电系统的负载电阻功率P_L为：

其中，U_in表示发射端电压；

系统的传输效率η为：

其中，

分别表示发射端和接收端电流。

更进一步的，系统发射端电压

和发射端电流

的向量表达式之比为：

当L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C时，i₁滞后u_in相位角

表达式为：

在ω>ω₀且R₁<R₂+R_L条件下，当k>k₀时，i₁滞后u_in，发射端工作在感性状态下，当k<k₀时，i₁与u_in同向，发射端工作在谐振状态下；

接收端的电流i₂与发射端电压u_in的相位关系为：

为u_in滞后i₂角度。

一种无线供电系统控制方法，使用所述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，接收端的无线通讯模块发送接收端的无线信号至发送端的无线接收模块，无线接收模块通过驱动模块驱动发送端的逆变模块工作，调节发送端电压与接收端电流之间的相位，实现接收端等效负电阻PT对称无线供电。

更进一步的，在接收端使用电流电压采集模块采集接收端电流和电压数据并计算，对系统频率进行调节，或者对发射端电压和接收端电流之间的相位关系进行调节，实现接收端等效负电阻PT对称无线供电。

更进一步的，另一种控制方式，忽略发送装置中发射线圈的电阻损耗R₁，通过自激振荡方式，发射端输入与接收端电流同相位的信号，使发射端交流电压与接收端的电流相位相同。

本发明基于接收端等效电阻实现PT对称原理的无线供电，将接收端的等效输入源控制为负电阻-R_m实现PT对称无线电能传输，在PT对称区域内，耦合腔恒定功率传输，提高逆变器效率实现大功率能量传输。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明基于接收端等效电阻实现PT对称原理的无线供电，在PT对称区域内拥有对接收端位置不敏感、耦合腔恒定功率传输的优点，相比于发送端等效负电阻PT对称无线供电系统扩大了PT对称范围，恒定功率范围相比发射端等效负电阻PT对称供电模式大；相比于发射端等效负电阻PT对称无线供电系统，本发明负载电阻值改变不会改变系统的工作频率，提高了系统稳定性；本发明发射端输入源可工作在感性状态，可实现ZVS，提高系统效率和稳定性，实现大功率能量传输。

附图说明

图1为本发明基于接收端等效负电阻的PT对称无线供电系统结构电路图；

图2为本发明基于接收端等效负电阻PT对称原理的无线供电系统等效原理图；

图3为本发明实施方式中接收端(副边)等效负电阻PT对称无线供电系统负载功率P_L和耦合系数k关系图；

图4为本发明实施方式中发射端与接收端负电阻PT对称原理下无线供电系统的工作频率理论拟合计算曲线和实例数据对比图；

图5为本发明实施方式中负载电阻R_L和系统频率f关系图；

图6为本发明实施方式中输入电压u_in和接收端电流i₂图；

图7为本发明实施方式中输入电压u_in和发射端电流i₁图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例所提供的基于接收端等效负电阻的PT对称无线供电系统，包括发射装置和接收装置，发射装置包括交流电源u_in、发射端线圈L₁、发射端补偿电容C₁、发射端等效损耗内阻R₁，所述交流电源u_in、发射端线圈L₁、发射端补偿电容C₁、发射端等效损耗内阻R₁串联；接收装置包括接收线圈L₂、接收端谐振电容C₂、接收端等效损耗内阻R₂、以及负载R_L，所述接收线圈L₂、接收端谐振电容C₂、接收端等效损耗内阻R₂、以及负载R_L串联，接收线圈L₂和接收端谐振电容C₂构成提供能量的等效负电阻；所述发射端LC串联谐振频率为：

所述次级回路接收端LC串联谐振频率为

接收端等效负电阻PT对称的条件需满足：

式(1)中，-R_m为接收端等效负电阻阻值，L₁和L₂分别为发射端线圈和接收端线圈电感值，C₁和C₂分别为发射端和接收端补偿的谐振电容值，R₁、R₂分别为发射端和接收端等效损耗内阻值，R_L为等效负载电阻，k为发射线圈L₁和接收线圈L₂之间的耦合系数，k₀为PT对称的临界耦合系数。

根据图2等效图，由基尔霍夫电压的矩阵表达式可得：

其中：

式(2)中，

为发射端回路的电流向量，

为接收端回路的电流向量，L₁、L₁分别为发射线圈和接收线圈的电感值，C₁、C₂分别为发射端串联电容和接收端串联电容，R₁为发射电路损耗电阻值，R₂为接收电路损耗电阻值，R_L为负载电阻值，-R_m为接收端边输入源等效负电阻阻值，k为原边与副边线圈之间的耦合系数，ω为系统工作频率。式(3)中，

为发射电路总阻抗，M为两线圈间的互感。

由于PT对称的条件为两谐振腔的固有谐振频率相等，即：

因此，公式(2)可进一步化简为:

公式(4)有非零解的条件是：

对(5)式进行实虚部分离可得：

将公式(6)分两种情况讨论:

第一种情况当ω≠ω₀时，为PT对称区域，负阻R_m表达式为：

此时的系统角频率ω为：

此情况下需满足的条件为：

由公式(9)可知耦合系数k的范围为:

耦合系统在所述区域范围内称之为PT对称区域，由公式(10)可知PT对称的临界耦合系数k₀与负载电阻值R_L无关。当发射端谐振腔损耗电阻R₁小于接收端谐振腔损耗电阻R₂与负载电阻R_L之和，即R₁<R₂+R_L，接收端等效负电阻PT对称的区域大于发射端等效负电阻PT对称区域。

第二种情况当ω＝ω₀时，称之为PT对称破坏区域，负电阻-R_m表达式为：

综上可知，系统的工作频率在两个区域内的表达式如下：

其中

为系统的固有谐振频率。

此PT对称磁耦合无线供电系统的负载电阻功率表达式为：

由式(12)可知，在PT对称区域内负载功率与耦合系数k无关。

此时系统的传输效率表达式如下：

将式(14)带入式(13)可知的传输效率表达式为：

此时对接收端等效负电阻PT对称电路模型进行传输特性分析，由公式(4)得发射端电压

和发射端电流

的向量表达式之比为：

由公式(16)可知，L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C时i₁滞后u_in相位角

表达式为：

由公式(17)可知，ω>ω₀且R₁<R₂+R_L条件下，当k>k₀时，i₁滞后u_in，原边工作在感性状态下，当k<k₀时，i₁与u_in同向，原边工作在谐振状态下。

由式(3)可知，此系统工作下接收端的电流i₂与发射端谐振腔的输入电压u_in的相位关系，设u_in滞后i₂角度为

角度表达式如式下：

在此举例两种控制方式，第一种控制方式是先采集接收端电流和电压的大小，输入到单片机、DSP等小型数字控制器中，通过控制器的PID算法调节，寻找此频率或者寻找

与

相位关系，实现接收端等效负电阻PT对称无线供电系统，保证输出功率恒定。

第二种控制方式是减小发射线圈的电阻损耗R₁，忽略发射线圈中的电阻损耗，可知接收端的电流i₂与发射端谐振腔的输入电压u_in相位相同。此时可直接向逆变器输入与电流i₂同相位的信号，保证u_in与i₂同相位实现接收端等效负电阻PT对称无线供电系统。

如图2所示无线供电系统等效原理图，负电阻两端的电压和流过的电流关系应满足：

相位关系满足：

其中

为流过接收端负电阻的基波电流的有效值，

为负电阻两端的基波电压有效值，-R_m为负电阻的阻值。发射线圈和谐振电容构成提供能量的等效负电阻

为发射电路总阻抗，

为接收电路总阻抗，ω为系统工作角频率，M为发射和接收线圈之间互感。本实施例通过无线发射模块将信号传送到无线接收端，最后进入驱动模块驱动逆变器工作，通过自激振荡使得逆变器输出电压u_in与接收端电流i₂保持同步，实现等效接收端负电阻提供能量。

为了说明本发明的准确性和可行性，对本实施例系统进行理论计算拟合，设计一个串联-串联型接收端等效负电阻的PT对称无线电能传输系统，该系统的电气参数如下：U_in＝100V，发射线圈电感L₁＝101μH，接收线圈电感L₂＝101μH，发射和接收电路补偿电容分别为C₁＝1.1nF、C₂＝1.1nF，固有谐振频率f₀＝474KHz，发射端和接收端损耗内阻R₁＝200mΩ、R₂＝200mΩ，负载电阻R_L＝20Ω，负电阻由电力电子电路实现。

基于上述电气参数本实施例所述基于接收端等效负电阻PT对称无线供电系统的负载功率P_L和耦合系数k关系如图3所示，当耦合系数发射变化时，负载功率的变化情况如图3所示保持恒定功率供电，且与计算理论值接近，即本实施例基于接收端负电阻PT对称原理下的无线供电系统，在PT对称区域内保持恒定功率供电。

图4为本实施例发射端与接收端负电阻PT对称原理下无线供电系统的工作频率理论拟合计算曲线和实例数据对比图，从图4中可知，基于接收端负电阻PT对称原理下的无线供电系统，PT对称破坏点的耦合系数更小，换而言之，基于接收端负电阻的PT对称范围更大，即恒定功率供电范围更大。图5为本实施例负载电阻R_L和系统频率f关系图，由图5中所示负载电阻值的改变不影响系统频率变化。图6为输入电压u_in和接收端电流图，电流i₂与输入电压u_in同相位，通过自激振荡实现忽略原边损耗下的接收端等效负电阻PT对称无线供电系统。图7为输入电压u_in和发射端电流i₁图，由图7可知，输入电压u_in超前发射端电流i₁一定角度，变换器工作在感性状态下。

由上述所知，本发明接收端等效负电阻明显扩大发射端等效负电阻PT对称区域的范围，在非对称区域内没有功率急剧上升现象，负载阻值变化也不会影响系统工作频率，并且发射端输入源工作的感性状态，逆变器可实现ZVS，提高系统效率和稳定性，本发明的优点显而易见，尤其适用于大功率能量传输。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，本实施例为单相串联-串联型接收端等效负电阻的PT对称无线电能传输系统，示意性地对本发明创造及其实施方式进行描述，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之结构，在不背离本发明精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，依本发明原理所作的变化或组合，均应涵盖在本发明的保护范围内。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，包括发射端的发送装置和接收端的接收装置，发送装置包括交流电源、发射端线圈、发射端补偿电容、发射端等效损耗内阻，接收装置包括接收线圈、接收端谐振电容、接收端等效损耗内阻以及负载；所述交流电源、发射端线圈、发射端补偿电容、发射端等效损耗内阻串联，所述接收线圈、接收端谐振电容、接收端等效损耗内阻以及负载串联，接收线圈和接收端谐振电容构成提供能量的等效负电阻。

2.根据权利要求1所述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，所述接收端等效负电阻两端的电压和流过的电流关系为

相位关系为

(K＝0,1,2…)，其中

为流过接收端等效负电阻的基波电流的有效值，

为接收端等效负电阻两端的基波电压有效值，-R_m为接收端等效负电阻的阻值。

3.根据权利要求2所述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，所述发射端LC串联谐振频率为：

所述接收端LC串联谐振频率为

接收端等效负电阻PT对称的条件为：

上述公式中，ω₀为PT对称条件下的谐振频率，R_L为负载阻值，-R_m为接收端等效负电阻阻值，L₁和L₂分别为发射端线圈和接收端线圈电感值，C₁和C₂分别为发射端和接收端补偿的谐振电容值，R₁、R₂分别为发射端和接收端等效损耗内阻值，k为发射线圈和接收线圈之间的互感系数，k₀为PT对称的临界耦合系数。

4.根据权利要求3述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，若无线供电系统工作频率ω与PT对称条件下的谐振频率ω₀不相等，接收端等效负电阻R_m为：

系统角频率ω为：

耦合系数k的范围为:

发射端谐振腔损耗电阻R₁小于接收端谐振腔损耗电阻R₂与负载电阻R_L之和，即R₁<R₂+R_L，所以基于接收端等效负电阻PT对称的区域大于基于发送端等效负电阻PT对称的区域。

5.根据权利要求3述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，若无线供电系统工作频率ω与PT对称条件下的谐振频率ω₀相等，接收端等效负电阻R_m为：

6.根据权利要求4或5述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，系统的工作频率f为：

其中

为系统的固有谐振频率，

供电系统的负载电阻功率P_L为：

其中，U_in表示发射端输入电压；

系统的传输效率η为：

其中，

分别表示发射端和接收端电流。

7.根据权利要求6述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，其特征在于，系统发射端电压

和发射端电流

的向量表达式之比为：

当L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C时，i₁滞后u_in相位角

表达式为：

在ω>ω₀且R₁<R₂+R_L条件下，当k>k₀时，i₁滞后u_in，发射端工作在感性状态下，当k<k₀时，i₁与u_in同向，发射端工作在谐振状态下；

接收端的电流i₂与发射端电压u_in的相位关系为：

为u_in滞后i₂角度。

8.一种无线供电系统控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任意一项所述的一种基于接收端等效负电阻PT对称的无线供电系统，无线通讯模块发送无线信号至发送端的无线接收模块，无线接收模块通过驱动模块驱动发送端电压与接收端电流间的相位，实现接收端等效负电阻PT对称无线供电。

9.根据权利要求8所述的一种无线供电系统控制方法，其特征在于，在接收端使用电流电压采集模块采集接收端电流和电压数据并计算，进行频率调节，或者对发射端电压和接收端电流之间的相位进行调节。

10.根据权利要求8所述的一种无线供电系统控制方法，其特征在于，忽略发送端装置中发射线圈的电阻损耗R₁，通过自激振荡方式，使接收端的电流与发射端电压相位相同，发射端输入与接收端电流同相位的信号。

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