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方案

本实用新型专利技术公开了一种基于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。本实用新型专利技术在宇称‑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。

Wireless power supply system based on Pt symmetry principle

【技术实现步骤摘要】
基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统
本技术涉及无线电能传输或无线输电的
，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。
技术介绍
无线电能传输技术(WirelessPowerTransfer,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。
技术实现思路
本技术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，本技术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，本技术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；LP为各个发射线圈的电感值，即LS为接收线圈的电感值；CP为各个发射端谐振电容值，即CS为接收端谐振电容值；Rp为各个发射线圈等效内阻值，即RS为接收线圈等效内阻值；-RN为负电阻阻值，RL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，MPS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，-RN为负电阻的阻值，且自动可调。本技术与现有技术相比，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，本技术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技术的内容和特点，以下结合附图对本技术的具体实施方案进行具体说明，但本技术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-RN和n个发射模块，所述负电阻-RN和n个发射模块并联连接，所述负电阻-RN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LS、接收端谐振电容CS和接收线圈等效内阻RS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，-RN为负电阻阻值，RL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；LS为接收线圈的电感值，CS为接收端谐振电容值，RS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LP为各个发射线圈的电感值，CP为各个发射端谐振电容值，RP为各个发射线圈的内阻值，MPS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IS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Po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技术提出的基于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(LP/LS)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，吴理豪，江彦伟，
申请(专利权)人：广州汇力威无线供电技术有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44