一种基于PT对称原理的多频多负载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。本实用新型专利技术利用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。

A multi frequency and multi load wireless power supply system based on Pt symmetry principle

【技术实现步骤摘要】
一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统
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对称原理的多频多负载无线供电系统。
技术介绍
业内习知，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。随着无线电能传输技术的发展，对多负载无线供电系统的需求也越来越多，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系统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，有望解决多负载系统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系统对于线圈之间的交叉耦合十分敏感。
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，提出了一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统，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。为实现上述目的，本技术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系统，所述系统包括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，其中，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。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，所述系统稳定运行时，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。本技术与现有技术相比，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系统造成的不良影响。附图说明图1为基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统等效电路示意图。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为实施方式中系统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系统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，对系统进行分析，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为系统的工作频率，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：因此系统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。为了进一步说明本技术的优点，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系统。系统的电气参数如下：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，另一方面节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统，其特征在于：所述系统包括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，其中，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于PT对称原理的多频多负载无线供电系统，其特征在于：所述系统包括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，其中，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。


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系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，吴理豪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44