CN110611375A - 一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电*** - Google Patents

一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，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***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。本发明利用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***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。

Description

一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***
技术领域
本发明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对称原理的多频多负载无线供电***。
背景技术
业内习知，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。随着无线电能传输技术的发展，对多负载无线供电***的需求也越来越多，但负载之间的功率分配与控制，以及发射线圈与接收线圈之间的交叉耦合，一直是制约多负载无线供电***发展的主要瓶颈问题。
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，实现了恒定的输出功率与传输效率，有望解决多负载***中的功率分配与控制问题，但传统基于PT对称原理的无线供电***对于线圈之间的交叉耦合十分敏感。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，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***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。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，所述***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，其中，负电阻为***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。
进一步，所述n个发射装置的固有频率互不相同，同时第i个发射装置的固有频率与第i个接收装置的固有频率相同，i＝1,2,3…n，即满足：
ωt1＝ωr1≠ωt2＝ωr2≠…ωtn＝ωrn
式中，第i个发射装置的固有频率表示为第i个接收装置的固有频率表示为Lti为第i个发射线圈的电感值，Lri为第i个接收线圈的电感值；Cti为第i个发射端谐振电容值，Cri为第i个接收端谐振电容值，i＝1,2,3…n。
进一步，所述***稳定运行时，需满足宇称-时间对称条件：
式中，Rti、Rri分别为第i个发射、接收线圈的等效内阻值；-RNi为第i个负电阻的值；-RLi为第i个负载的值；为第i个发射线圈和第i个接收线圈之间的耦合系数，Mtiri为第i个发射线圈与第i个接收线圈之间的互感值，Lti为第i个发射线圈的电感值，Lri为第i个接收线圈的电感值。
进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：Vti＝-RNiIti，相位关系满足：其中，Iti为流过第i个负电阻的电流，Vti为第i个负电阻两端的电压，-RNi为第i个负电阻的阻值，且自动可调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、实现了同时稳定高效地为多个负载提供恒定的功率，解决了多负载之间功率的分配与控制问题。
2、解决了线圈之间交叉耦合对***造成的不良影响。
附图说明
图1为基于PT对称原理的多频多负载无线供电***等效电路示意图。
图2为实施方式中两个完全解耦的发射线圈结构示意图。
图3为实施方式中***传输效率与耦合系数的关系曲线。
图4为实施方式中各负载的所获功率与耦合系数的关系曲线。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明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对称原理的多频多负载无线供电***，包括n个发射装置、n个接收装置和n个负载RLi，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-RNi、发射线圈Lti、发射端谐振电容Cti和发射线圈等效内阻Rti组成，i＝1,2,3…n，其中，负电阻-RNi为***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Lri、接收端谐振电容Cri和接收线圈等效内阻Rri组成，且一个负载RLi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。
设定n个发射装置的固有频率互不相同，同时第i个发射装置的固有频率与第i个接收装置的固有频率相同。此时，第i个发射线圈与第j个接收线圈之间的耦合对***的影响可以忽略不计，其中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n，且i≠j。因此，第i个发射装置与第i个接收装置可独立于其它线圈稳定工作，下面以第i个发射装置与第i个接收装置为例，对***进行分析，则根据图1，由基尔霍夫定律可得：
式(1)中，-RNi为第i个负电阻值，RLi为第i个负载电阻值；ω为***的工作频率，表示第i个发射装置的固有频率，表示第i个接收装置的固有频率，Lti为第i个发射线圈的电感值，Lri为第i个接收线圈的电感值；Cti为第i个发射端谐振电容值，Cri为第i个接收端谐振电容值，Rti、Rri分别为第i个发射、接收线圈的等效内阻值，分别为第i个发射装置和接收装置的电流向量，为第i个发射线圈和第i个接收线圈之间的耦合系数，Mtiri为第i个发射线圈与第i个接收线圈之间的互感值。
式(1)有非零解的条件是：
对式(2)进行实虚部分离可得：
当第i个发射装置和第i个接收装置构成宇称-时间对称电路时，即
则式(3)可简化为：
由上式可得频率解为：
由式(6)可进一步得到频率存在纯实部解的条件为：
因此***稳态工作时还需满足如下条件:
此时，由式(1)和式(4)，可得第i个发射装置电流有效值Iti与第i个接收装置电流有效值Iri之比为：
此时第i个发射装置与第i个接收装置的传输效率ηtiri等于：
第i个负载的功率Poi等于：
式中Vti，Vri分别是第i个负电阻和第i个负载两端电压。
为了进一步说明本发明的优点，在本实施例中，设计了一种基于PT对称原理的双频双负载无线电能传输***。***的电气参数如下：第一个发射线圈电感Lt1＝200μH，第二个发射线圈电感Lt2＝200μH，第一个接收线圈电感Lr1＝200μH，第二个接收线圈电感Lr2＝200μH，固有频率ωt1＝ωr1＝300kHz,ωt2＝ωr2＝200kHz，等效内阻Rt1＝Rt2＝Rr1＝Rr2＝0.1Ω，忽略发射线圈之间以及接收线圈之间的耦合，负电阻由电力电子电路实现。
可选的，图2为一种互相解耦的两发射线圈结构，通过将大小相同的DD型线圈和矩形线圈正对叠放在一起实现，一方面实现了线圈之间的解耦，另一方面节约了安装空间，但发射线圈不仅限于上述结构。
图3、图4为负载RL1＝10Ω,RL2＝5Ω时，仿真得到的***传输效率与各负载所获得的输出功率与耦合系数的关系曲线，从图中可见本发明提出的***在宇称-时间对称区域内，各负载输出功率与传输效率不受发射线圈与接收线圈之间交叉耦合的影响，能实现同时稳定高效地为多个负载提供恒定的功率。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，本发明提供一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，本发明及其实施例不应仅限于此，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，其特征在于：所述***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，其中，负电阻为***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。
2.根据权利要求1所述的一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，其特征在于：所述n个发射装置的固有频率互不相同，同时第i个发射装置的固有频率与第i个接收装置的固有频率相同，i＝1,2,3…n，即满足：
ωt1＝ωr1≠ωt2＝ωr2≠…ωtn＝ωrn
式中，第i个发射装置的固有频率表示为第i个接收装置的固有频率表示为Lti为第i个发射线圈的电感值，Lri为第i个接收线圈的电感值；Cti为第i个发射端谐振电容值，Cri为第i个接收端谐振电容值，i＝1,2,3…n。
3.根据权利要求1所述的一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，其特征在于：所述***稳定运行时，需满足宇称-时间对称条件：
式中，Rti、Rri分别为第i个发射、接收线圈的等效内阻值；-RNi为第i个负电阻的值；-RLi为第i个负载的值；为第i个发射线圈和第i个接收线圈之间的耦合系数，Mtiri为第i个发射线圈与第i个接收线圈之间的互感值，Lti为第i个发射线圈的电感值，Lri为第i个接收线圈的电感值。
4.根据权利要求1所述的一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电***，其特征在于：所述负电阻的电压、电流关系满足：Vti＝-RNiIti，相位关系满足：其中，Iti为流过第i个负电阻的电流，Vti为第i个负电阻两端的电压，-RNi为第i个负电阻的阻值，且自动可调。
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