CN210092970U - 基于pt对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，包括发射装置和接收装置；发射装置包括负电阻和n个发射模块，负电阻和n个发射模块并联连接，为系统提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；接收装置包括接收模块和负载，接收模块和负载串联连接，接收模块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。本实用新型在宇称‑时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率，且有效降低了系统的临界耦合系数，即提高了系统的临界传输距离，并提高了系统输出功率的能力，对于大功率的应用场合，具有显著优势。

Description

基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)，相比于传统的导线供电方式无电气连接，具有灵活便捷、安全可靠等优点。现有无线电能传输技术主要是基于电磁感应和磁共振原理，部分研究成果已应用于电子消费产品、植入式医疗设备、电动汽车充电等领域。但感应式无线电能传输技术传输距离短、效率低，磁共振无线电能传输技术存在频率分裂、谐振频率高、输出功率小、近距离甚至无法输出功率等问题。两者存在的瓶颈问题尚未解决，极大的限制了无线电能传输技术的实际应用。

1998年华盛顿大学的Bender.C.M教授创立了宇称-时间(PT)对称量子理论，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域。近年来，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-时间对称原理的单发射线圈系统的临界传输距离未达到最优。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。相比于基于宇称-时间对称原理的单发射线圈的系统，本实用新型有效降低了系统的临界耦合系数，即提高了系统的临界传输距离，并提高了系统输出功率的能力，对于大功率的应用场合，具有显著优势。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，所述无线供电系统包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括负电阻和n个发射模块，所述负电阻和n个发射模块并联连接，为系统提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块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。

进一步，所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，同时该n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，即满足：

其中，

和

分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及与接收线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n；表示第i个发射线圈和第j个发射线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n且i≠j，

表示第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值。

进一步，所述无线供电系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：

其中，

表示各个发射线圈回路的固有频率，

表示接收线圈回路的固有频率；L_P为各个发射线圈的电感值，即

L_S为接收线圈的电感值；C_P为各个发射端谐振电容值，即C_S为接收端谐振电容值；R_p为各个发射线圈等效内阻值，即

R_S为接收线圈等效内阻值；-R_N为负电阻阻值，R_L为负载电阻值；

为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，M_PS为各个发射线圈与接收线圈之间的互感值，即

进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：

相位关系满足：

其中，

为流过负电阻的电流，V₁为负电阻两端的电压，-R_N为负电阻的阻值，且自动可调。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本系统结构简单可靠，在负载固定时能实现恒定的传输效率和输出功率。

2、相比传统单发射线圈的基于宇称-时间对称原理的无线供电系统，本实用新型系统临界耦合系数显著降低，即临界传输距离显著提高。

3、采用多发射线圈并联供电，有效提高了系统输出功率的能力，适用于有大功率需求的场合，具有显著优势。

附图说明

图1为基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统等效电路示意图。

图2为实施方式中一种两个对称并完全解耦的发射线圈结构示意图。

图3为实施方式中另外一种两个对称并完全解耦的发射线圈结构示意图。

图4为实施方式中系统传输效率与耦合系数的关系曲线。

图5为实施方式中系统输出功率与耦合系数的关系曲线。

图6为双发射线圈无线供电系统与传统单接收线圈无线充电系统在不同负载下的临界耦合系数对比图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。

如图1所示，本实施例所提供的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，包括发射装置和接收装置两部分，所述发射装置包括负电阻-R_N和n个发射模块，所述负电阻-R_N和n个发射模块并联连接，所述负电阻-R_N为系统提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈

发射端谐振电容

和发射线圈等效内阻

组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块由串联连接的接收线圈L_S、接收端谐振电容C_S和接收线圈等效内阻R_S组成。

进一步，所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，另外n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，则根据图1，由基尔霍夫定律可得：

式(1)中，-R_N为负电阻阻值，R_L为负载电阻值；

和分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及第i个发射端谐振电容；L_S为接收线圈的电感值，C_S为接收端谐振电容值，R_S为接收线圈等效内阻值；

为第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值，

分别为第i个发射回路和接收回路电流向量，其中i＝1,2,3…n；ω为系统的工作频率。

由于n个发射线圈参数完全对称且与接收线圈的耦合程度相同，可知

令L_P为各个发射线圈的电感值，C_P为各个发射端谐振电容值，R_P为各个发射线圈的内阻值，M_PS为各个发射线圈与接收线圈的互感值，

为各个发射回路的固有频率,

为接收回路的固有频率，则式(1)可化简化为：

其中，

为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，

为等效发射回路电流向量。

式(2)有非零解的条件是：

对式(3)进行实虚部分离可得：

当发射回路和等效接收回路构成宇称-时间对称电路时，即

则式(4)可简化为：

由上式可得频率解为：

由式(7)可进一步得到频率存在纯实部解的条件为：

因此系统稳态工作时还需满足如下条件:

此时，由式(2)和式(5)，可得等效发射回路电流有效值I′_P与接收回路电流有效值I_S之比为：

又根据功率守恒可得：

此时系统的效率η等于：

传输功率P_o等于：

假设传统基于PT对称原理的单接收线圈供电系统与本实用新型提出的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统的发射线圈电感值和接收线圈电感值之比(L_P/L_S)相等，则由式(12)可知在采用多发射线圈并联供电的供电系统与单发射线圈的供电系统，具有相同的传输效率；同时，由式(9)可知，采用多发射线圈并联供电能有效降低系统的临界耦合系数，由式(13)可知，采用多发射线圈并联供电能有效提高系统的输出功率。

为了进一步说明本实用新型的优点，在本实施例中，作为举例，设计了一个基于宇称-时间对称原理的双发射线圈并联供电的无线供电系统。系统的电气参数如下：V₁＝100V，发射线圈电感

接收线圈电感L_S＝100μH，固有频率ω_P＝ω_S＝300kHz，等效内阻

负电阻由电力电子电路实现。

可选地，图2为一种两个参数对称且互相解耦的发射线圈结构，采用两个完全对称的DD型线圈垂直叠放的方式实现，此方案中接收线圈也采用相同的结构，仅将两层DD型线圈改为串联连接；可选地，图3为另一种两个参数对称且互相解耦的发射线圈结构，通过将两个完全对称的平面线圈部分重叠实现，优选的，采用两个完全对称的矩形平面线圈，优选地，此方案中接收线圈采用平面矩形线圈，但接发射线圈与收线圈不仅限于上述两种结构。

图4、图5为负载R_L＝5Ω时，系统传输效率、输出功率与耦合系数的关系曲线，从图中可见本实用新型提出的系统在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。图6为双发射线圈无线供电系统与传统单接收线圈无线充电系统在不同负载下的临界耦合系数，可见本实用新型提出的系统能有效降低临界耦合系数，即临界传输距离显著提高，具有实际应用价值，值得推广。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，本实用新型及其实施例不应仅限于此，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，其特征在于：所述无线供电系统包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括负电阻和n个发射模块，所述负电阻和n个发射模块并联连接，为系统提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块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。

2.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，其特征在于：所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，同时该n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，即满足：

其中，

和

分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及与接收线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n；

表示第i个发射线圈和第j个发射线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n且i≠j，

表示第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值。

3.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，其特征在于：所述无线供电系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：

其中，

表示各个发射线圈回路的固有频率，

表示接收线圈回路的固有频率；L_P为各个发射线圈的电感值，即

L_S为接收线圈的电感值；C_P为各个发射端谐振电容值，即

C_S为接收端谐振电容值；R_p为各个发射线圈等效内阻值，即

R_S为接收线圈等效内阻值；-R_N为负电阻阻值，R_L为负载电阻值；

为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，M_PS为各个发射线圈与接收线圈之间的互感值，即

。

4.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统，其特征在于：所述负电阻的电压、电流关系满足：

相位关系满足：

其中，

为流过负电阻的电流，V₁为负电阻两端的电压，-R_N为负电阻的阻值，且自动可调。

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