CN104993619A - 提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法和装置,该方法包括:步骤1:搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型;步骤2:建立所述***的等效电路,并得到等效方程;步骤3:当***频率ω发生漂移时,依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;步骤4:设定负载电阻的变化范围和步长;步骤5:依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η;步骤6:根据本次***效率值以及预存的***效率值,得到***效率最大值并进行保存,同时保存该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;步骤7:重复步骤5至6直到负载电阻超出设定范围。本发明还包括相应的装置。当***频率漂移时,可有效地提高***效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域,尤其涉及一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法和装置。
背景技术
近年来,采用电磁场作为传输媒介可以实现无线电能传输。根据原理的不同,无线电能传输大致可以分为三类:第一种是感应式,这种方式传输功率大,但传输的距离较近;第二种是辐射式,这种方式定向性好,传输距离远,但是对周围电磁环境影响大;第三种是谐振式,又称磁耦合谐振式无线电能传输技术,该方式能够以较大的功率,在较高的效率下传输较远的距离,相比于感应式,其传输距离较远,且对于方向指向性较不敏感;相比于辐射式,其对周围电磁环境的影响较小。
磁耦合谐振式无线电能传输技术,通过使两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合,而对周围非谐振频率的接收端只有较弱的耦合。磁耦合谐振***包括发射谐振线圈、接收谐振线圈和负载。磁耦合谐振技术可实现中距离的能量传输,而不需要增强磁场强度,同时可以穿透各种不同非金属障碍物,而且对***的能量传输效率、功率等指标没有影响。然而,当无线电能传输***外界有金属障碍物时,无线电能传输***的谐振频率会发生漂移,磁耦合谐振式无线电能传输***会失谐,导致***的效率降低。通过调节***频率,可以使***重新工作在谐振状态,提高***效率。然而该方法提高效率的幅度有限。
因此,如何才能在谐振频率漂移时,有效提高磁耦合谐振式无线电能传输***工作效率,成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,提供一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法和装置,其能够在***谐振频率漂移时,使磁耦合谐振式无线电能传输***重新工作在谐振状态,有效提高磁耦合谐振式无线电能传输***的效率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1:搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型;
步骤2:建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,并得到等效电路的等效方程;
步骤3:当***频率ω发生漂移时,依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
步骤4:设定负载电阻的变化范围和步长;
步骤5:依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而可获得***效率η;
步骤6:根据本次得到***效率值以及预存的***效率值,得到***效率最大值并进行保存,同时保存该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
步骤7:重复上述步骤5至步骤6直到负载电阻值超出设定变化范围。
优选的,所述等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
其中,R 1是发射线圈的寄生电阻,R 2是接收线圈的寄生电阻,R s是电源内阻,R L是负载电阻,L 1 是发射线圈自感,L 2 是接收线圈自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈和接收线圈之间互感,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***频率。
优选的,在所述步骤3中引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε1、接收线圈的角频率偏移因子ε2,发射线圈的谐振角频率ω1,接收线圈的谐振角频率ω2, 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移。
优选的,输入阻抗角θ函数通过推导公式(1)可得到公式(4):
(4)
所述***效率η函数通过推导公式(1)可得到公式(5):(5)
优选的,所述步骤5中,依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,具体为:在给定参数ω1, ω2, L 1, L 2, R 1, R 2,M下,并θ=0,对于给定的负载电阻值,可得到***频率ω。
优选的,所述根据得到***效率值以及预存***效率值,得到***效率最大值并进行保存,具体为:将得到***效率值与预存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值进行保存。
本发明还包括一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,包括函数推导模块,处理模块和存储模块,其中:
所述函数推导模块,用于搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型,建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,得到等效电路的等效方程,并依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
所述存储模块,用于存储***效率最大值以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
所述处理模块,根据设定负载电阻的变化范围和步长,用于将负载电阻值代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而可获得***效率η,并根据得到***效率值以及存储模块保存的***效率值,得到***效率最大值发送给存储模块,同时发送该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
优选的,所述等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
其中,R 1是发射线圈的寄生电阻,R 2是接收线圈的寄生电阻,R s是电源内阻,R L是负载电阻,L 1 是发射线圈自感,L 2 是接收线圈自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈和接收线圈之间互感,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***频率;
在函数推导模块中引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε1、接收线圈的角频率偏移因子ε2,发射线圈的谐振角频率ω1,接收线圈的谐振角频率ω2, 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移,
所述输入阻抗角θ函数通过推导公式(1)可得到公式(4):
(4)
所述***效率η函数通过推导公式(1)可得到公式(5):
(5)
优选的,所述处理模块中在给定参数ω1, ω2, ,L 1, L 2, R 1, R 2,M下,并θ=0,对于给定的负载电阻值,可得到***频率ω。
优选的,所述处理模块将***效率值与存储模块保存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值发送给存储模块。
利用本发明方法或装置,当无线电能传输***频率发生漂移时,可以得到***效率最大值对应的负载电阻值和***频率,通过调节***频率和负载电阻,一方面可以使***重新工作在谐振状态,另一方面可以使***满足阻抗匹配条件。有效地提高磁耦合谐振式无线电能传输***效率。
附图说明
图1为本发明提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法的流程图;
图2为本发明的无线电能传输***的示意图;
图3为本发明的一种无线电能传输***的等效电路图;
图4为本发明的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图1,一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,包括以下步骤:
步骤1:搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型;
步骤2:建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,并得到等效电路的等效方程;
步骤3:当***频率ω发生漂移时,依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
步骤4:设定负载电阻的变化范围和步长;
步骤5:依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η;
步骤6:根据本次得到***效率值以及预存的***效率值,得到***效率最大值并进行保存,同时保存该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
步骤7:重复上述步骤5至步骤6,直到负载电阻值超出设定变化范围。
优选的,所述根据得到***效率值以及预存***效率值,得到***效率最大值并进行保存,具体为:将得到***效率值与预存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值进行保存。
通过搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型,并建立所述***模型的等效电路,得到等效电路的等效方程,依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数。当无线电能传输***的频率发生漂移时,根据实际情况,设定负载电阻的变化范围和步长,依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η,在负载电阻变化范围内,通过比较每个点的效率,得到***效率最大值即最优的效率,同时也得到所述***效率最大值所对应的负载电阻值和***频率。
当无线电能传输***频率发生漂移时,即可通过调节***频率和负载电阻,一方面使***重新工作在谐振状态,另一方面使***满足阻抗匹配条件。有效地提高磁耦合谐振式无线电能传输***效率。
以下以两线圈结构的无线电能传输***为例进行详细说明。
参照图2和图3,图2为本发明的一种无线电能传输***的示意图,图3为本发明的一种无线电能传输***的等效电路图。
本发明实施例中的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输***包括电源100、发射线圈121、第一电容器111、接收线圈122、第二电容器112以及负载130。所述电源100、发射线圈121以及第一电容器111串联形成闭合回路。所述接收线圈122、第二电容器112以及负载130串联形成闭合回路。所述发射线圈121和接收线圈122间隔设置,所述发射线圈和接收线圈之间的距离为D 。所述发射线圈121和接收线圈122一起用于磁耦合 谐振式无线电能传输。所述发射线圈121发射电能,所述接收线圈122接收电能并向所述负载130供电。
通过电路理论建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路。图2为图1的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路图。其中,R s是电源100内阻,R 1是发射线圈121的寄生电阻,R 2是接收线圈122的寄生电阻,R L是负载130电阻,L 1 是发射线圈121自感; L 2 是接收线圈122自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈121和接收线圈122之间互感;Z in***的输入阻抗,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***的频率。
通过应用基尔霍夫电压定律,得到图2中无线电能传输***等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε1、接收线圈的角频率偏移因子ε2,发射线圈的谐振角频率ω1,接收线圈的谐振角频率ω2, 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
当***处于谐振状态时,***频率ω应该等于无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,即。所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移。
通过求解式(1),输入阻抗表达式如下:
(3)
根据式(3),输入阻抗角()表达式如下:
(4)
式中Re(Z in)为输入阻抗的实部,Im(Z in) 为输入阻抗的虚部。
通过推导公式(1),得到***效率η函数的公式(5)
(5)
依据负载电阻变化范围和步长,将每个点代入阻抗角θ函数得到***频率ω,具体为:在给定参数ω1, ω2, L 1, L 2, R 1, R 2,M下,输入阻抗角是负载电阻的函数,并θ=0,依据负载电阻变化范围和步长,将每个点代入阻抗角θ函数得到***频率ω。
每代入一个负载电阻值得到一个***频率ω,将本次***效率值与预存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值进行保存,同时保存该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。再将***效率最大值作为预存***效率值与下一个负载电阻值得到的***频率进行比较。
当负载电阻变化范围内的所有负载电阻值得到的***频率都进行比较后,得到***效率最大值、以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
优选的,负载电阻的变化范围为最小值为1Ω,最大值为100Ω,步长为1Ω。当无线电能传输***频率发生漂移时,即可通过上述方法得到***效率最大值对应的负载电阻值和***频率,通过调节***频率和负载电阻,一方面可以使***重新工作在谐振状态,另一方面可以使***满足阻抗匹配条件。有效地提高磁耦合谐振式无线电能传输***效率。
当无线电能传输***频率漂移范围为-20%到20%时,通过上述方法能够达到最佳调节效果。
本发明还包括提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,包括函数推导模块1、处理模块2和存储模块3,其中:
所述函数推导模块1,用于搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型,建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,得到等效电路的等效方程,当***频率ω发生漂移时,并依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
所述存储模块2,用于存储***效率最大值以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
所述处理模块3,根据设定负载电阻的变化范围和步长,用于将负载电阻值代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η,并根据得到***效率值以及存储模块保存的***效率值,得到***效率最大值发送给存储模块2,同时发送该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
优选的,所述处理模块3将***效率值与存储模块保存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值发送给存储模块2。
当无线电能传输***频率发生漂移时,即可通过调节***频率和负载电阻,一方面可以使***重新工作在谐振状态,另一方面可以使***满足阻抗匹配条件。有效地提高磁耦合谐振式无线电能传输***效率。
以下以两线圈结构的无线电能传输***为例进行详细说明。
参照图2和图3,图2为本发明的一种无线电能传输***的示意图,图3为本发明的一种无线电能传输***的等效电路图。
在函数推导模块1中搭建本发明实施例中的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输***模型,该模型包括电源100、发射线圈121、第一电容器111、接收线圈122、第二电容器112以及负载130。所述电源100、发射线圈121以及第一电容器111串联形成闭合回路。所述接收线圈122、第二电容器112以及负载130串联形成闭合回路。所述发射线圈121和接收线圈122间隔设置,所述发射线圈和接收线圈之间的距离为D 。所述发射线圈121和接收线圈122一起用于磁耦合 谐振式无线电能传输。所述发射线圈121发射电能,所述接收线圈122接收电能并向所述负载130供电。
在函数推导模块1中通过电路理论建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路。图2为图1的两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路图。其中,R s是电源100内阻,R 1是发射线圈121的寄生电阻,R 2是接收线圈122的寄生电阻,R L是负载130电阻,L 1 是发射线圈121自感; L 2 是接收线圈122自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈121和接收线圈122之间互感;Z in***的输入阻抗,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***的频率。
通过应用基尔霍夫电压定律,得到图2中无线电能传输***等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε1、接收线圈的角频率偏移因子ε2,发射线圈的谐振角频率ω1,接收线圈的谐振角频率ω2, 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
当***处于谐振状态时,***频率ω应该等于无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,即。所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移。
通过求解式(1),输入阻抗表达式如下:
(3)
根据式(3),输入阻抗角()表达式如下:
(4)
式中Re(Z in)为输入阻抗的实部,Im(Z in) 为输入阻抗的虚部。
通过推导公式(1)可得到***效率η函数的公式(5):
(5)
依据负载电阻变化范围和步长,处理模块3将每个点代入阻抗角θ函数得到***频率ω,具体为:在给定参数ω1, ω2, L 1, L 2, R 1, R 2,M下,输入阻抗角是负载电阻的函数,并θ=0,依据负载电阻变化范围和步长,将每个点代入阻抗角θ函数得到***频率ω。
每代入一个负载电阻值得到一个***频率ω,将本次***效率值与存储模块保存的效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值送给存储模块2,同时发送该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。再将***效率最大值作为预存***效率值与下一个负载电阻值得到的***频率进行比较。存储模块2,用于存储***效率最大值以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
当负载电阻变化范围内的所有负载电阻值得到的***频率都进行了比较后,得到***效率最大值、以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
优选的,负载电阻的变化范围为最小值为1Ω,最大值为100Ω,步长为1Ω。
当无线电能传输***频率发生漂移时,即可通过上述装置得到***效率最大值对应的负载电阻值和***频率,通过调节***频率和负载电阻,一方面可以使***重新工作在谐振状态,另一方面可以使***满足阻抗匹配条件。有效地提高磁耦合谐振式无线电能传输***效率。
优选的,当无线电能传输***频率漂移范围为-20%到20%时,通过上述方法能够达到最佳调节效果。
以上对本发明提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1:搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型;
步骤2:建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,并得到等效电路的等效方程;
步骤3:当***频率ω发生漂移时,依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
步骤4:设定负载电阻的变化范围和步长;
步骤5:依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η;
步骤6:根据本次得到***效率值以及预存的***效率值,得到***效率最大值并进行保存,同时保存该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
步骤7:重复上述步骤5至步骤6直到负载电阻值超出设定变化范围。
2.根据权利要求1所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,所述等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
其中,R 1是发射线圈的寄生电阻,R 2是接收线圈的寄生电阻,R s是电源内阻,R L是负载电阻,L 1 是发射线圈自感,L 2 是接收线圈自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈和接收线圈之间互感,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***频率。
3.根据权利要求2所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,在所述步骤3中引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε 1 、接收线圈的角频率偏移因子ε 2 ,发射线圈的谐振角频率ω 1 ,接收线圈的谐振角频率ω 2 , 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移。
4.根据权利要求3所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,输入阻抗角θ函数通过推导公式(1)得到公式(4):
(4)
所述***效率η函数通过推导公式(1)得到公式(5):
(5)。
5.根据权利要求4所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,所述步骤5中,依据负载电阻值,代入阻抗角θ函数得到***频率ω,具体为:在给定参数ω 1 , ω 2 , L 1 , L 2 , R 1 , R 2 ,M下,并θ=0,对于给定的负载电阻值,得到***频率ω。
6.根据权利要求1至5任一项所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的方法,其特征在于,所述根据得到***效率值以及预存***效率值,得到***效率最大值并进行保存,具体为:将得到***效率值与预存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值进行保存。
7.一种提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,其特征在于,包括函数推导模块,处理模块和存储模块,其中:
所述函数推导模块,用于搭建磁耦合谐振式无线电能传输***模型,建立所述磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路,得到等效电路的等效方程,当***频率ω发生漂移时,并依据等效方程,推导出输入阻抗角θ函数和***效率η函数;
所述存储模块,用于存储***效率最大值以及该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率;
所述处理模块,根据设定负载电阻的变化范围和步长,用于将负载电阻值代入阻抗角θ函数得到***频率ω,进而获得***效率η,并根据得到***效率值以及存储模块保存的***效率值,得到***效率最大值发送给存储模块,同时发送该***效率最大值对应的负载电阻值和***频率。
8.根据权利要求7所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,其特征在于,所述等效电路的等效方程定义为公式(1):
(1)
其中,R 1是发射线圈的寄生电阻,R 2是接收线圈的寄生电阻,R s是电源内阻,R L是负载电阻,L 1 是发射线圈自感,L 2 是接收线圈自感,C 1 是第一电容器111的电容, C 2 是第二电容器112的电容,M 是发射线圈和接收线圈之间互感,I 1是***的输入电流,I 2是***的输出电流,ω是无线电能传输***频率;
在函数推导模块中引入源匹配因子U s、负载匹配因子U L、强耦合参数U、发射线圈的品质因数Q 1、接收线圈的品质因数Q 2、发射线圈的角频率偏移因子ε1、接收线圈的角频率偏移因子ε2,发射线圈的谐振角频率ω1,接收线圈的谐振角频率ω2, 无线电能传输***原始谐振角频率ω 0 ,并分别定义为公式(2):
(2)
所述当***频率ω发生漂移时,具体为当时,即认为频率ω发生了漂移,
所述输入阻抗角θ函数通过推导公式(1),得到公式(4):
(4)
所述***效率η函数通过推导公式(1),得到公式(5):
(5)。
9.根据权利要求8所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,其特征在于,所述处理模块中在给定参数ω1, ω2,L 1, L 2, R 1, R 2,M下,并θ=0,对于给定的负载电阻值,得到***频率ω。
10.根据权利要求7至9所述的提高无线电能传输***频率漂移时工作效率的装置,其特征在于,所述处理模块将***效率值与存储模块保存***效率值进行比较;若前者大于后者,将所述本次***效率值作为***效率最大值发送给存储模块。
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