基于高阶Anti-PT对称的多负载无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于高阶Anti

【技术实现步骤摘要】
基于高阶Anti
‑
PT对称的多负载无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及一种基于高阶反宇称
‑
时间(Anti
‑
parity
‑
time,Anti
‑
PT)对称系统中反共振态的“能级钉扎”效应实现高效稳定的多负载无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是一种利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术，它为人们利用电能开辟了一条新途径，其对于消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度电能供应的场景都具有重要的应用价值。然而传统的WPT受到传输距离的严重限制，研究者们发现通过两个谐振线圈之间的近场耦合效应(其中耦合强度随线圈距离增大是指数衰减的)，磁共振WPT可以实现中距离的高效能量传输，进而促进了非辐射磁共振WPT的广泛发展。尽管如此，磁共振WPT最明显的缺点是难以同时实现能量传输的高效率和强稳定性：一方面，对于强耦合情况(谐振线圈间距较小)，可以保证高的传输效率，但是工作频率会因为近场耦合发生劈裂。所以当发射端谐振线圈和接收端谐振线圈间距发生变化时，系统最佳工作频率将发生偏移，从而降低了器件的稳定性。另一方面，对于弱耦合情况(谐振线圈间距较小)，可以保证工作频率稳定，但传输效率将显著降低。因此如何在保持系统高传输效率的同时实现稳定的能量传输，成为了目前中远程WPT中一个很难调和的矛盾。为解决这一问题，研究者们提出使用频率追踪电路来不断变化系统的工作频率，扫描得到效率最高的频率后，再通过切换最佳工作频率来保证高效的WPT。这一方案虽然可以实现较高的传输效率但是系统的频率扫描追踪电路不仅增加了设备构造复杂性，而且对电路元件性能都提出了更高的要求，所以复杂的电路匹配网络在许多应用场景中仍然存在局限性。
[0003]近年来，非厄密物理的显著发展为现代WPT技术革新提供了新的原理支撑。研究者们将非厄密物理中的宇称
‑
时间(Parity
‑
Time，PT)对称应用到WPT系统中，通过非线性电路实现了系统最佳工作频率自适应追踪的鲁棒性WPT。该方案尽管受限于核心元件运算放大器，系统最大功率难以达到10W以上，但却启发了人们从新的物理原理出发来探索新的研究视角，进而推动新技术和新器件的产生。目前基于频率追踪电路和非线性效应的WPT技术已经逐步解决了WPT最佳工作频率的锁定问题，然而其对器件内部的复杂电路以及非线性元件仍具有很强的敏感性，所以系统整体的稳定性能仍较差。此外如何实现远距离、发射/接收端高面积比以及多负载的稳定高效WPT仍是目前亟待解决的重要科学难题。

技术实现思路

[0004]针对以上科学问题，本专利技术首次提出“W型”反共振结构。通过在基本的WPT平台中引入该反共振模式，我们可以方便的构造有效的反宇称
‑
时间(Anti
‑
Parity
‑
Time，Anti
‑
PT)的非厄米系统。将反共振模式的“能级吸引”与反共振模式和共振模式的“能级劈裂”结合，研究了高阶Anti
‑
PT对称具有的“能级钉扎”效应。
[0005]本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种基于高阶Anti
‑
PT对称的多负载无线电能传输系统，其包括：利用W型反共振结构与Lorentz共振结构耦合，构造三阶的Anti
‑
PT对称WPT系统；对于W型反共振结构，两个失谐的模式ω
+
＝ω0+Δ和ω
‑
＝ω0‑
Δ之间的耦合系数为iγ，其中的Δ表示失谐量，W型反共振结构与共振结构中的谐振模式ω0之间的耦合系数为κ。
[0007]所述系统的运动方程为：
[0008][0009]其中的γ
j
和Γ
j
(j＝+,
‑
,0)分别表示谐振模式a
j
＝A
j
e
‑
iωt
的辐射损耗以及本征损耗；κ
±
表示反共振结构与共振结构之间的近场耦合强度；和表示外界输入到反共振结构的电磁波；考虑γ
+
＝γ
‑
＝γ0/2＝γ，κ
+
＝κ
‑
＝κ，忽略系统的本征损耗Γ
+
＝Γ
‑
＝Γ0＝0，并考虑无反射条件时，系统的动力学方程可以表示为：
[0010][0011]此时系统的等效哈密顿表示为：
[0012][0013]其中ω0表示共振以及反共振系统的中心频率，Δ表示反共振结构的频率失谐量，κ表示反共振结构与共振结构的耦合强度，γ表示反共振结构中两个失谐模式的辐射损耗；从公式(3)确定非厄密系统是满足三阶Anti
‑
PT对称条件(PT)H(PT)
‑1＝PH
*
P＝
‑
H的，而且系统的对称中心为频率空间的ω0。
[0014]进一步地，为了不失一般性，首先假设γ＝1，此时不同耦合强度κ下，系统模式发生合并的位置即对应非厄密系统的奇异点。
[0015]进一步地，根据公式(1)，由W型反共振结构与Lorentz共振结构三阶Anti
‑
PT对称的WPT系统的传输效率表示为：
[0016][0017]其中的S
2+
表示从共振结构输出的信号，和表示从反共振结构输入的信号。A0表示共振结构的振幅，A
+
和A
‑
表示反共振结构失谐模式的振幅；在固定的工作频率ω＝
ω0下，系统的传输效率恒为η＝4γ/4γ＝1。
[0018]进一步地，还包括：利用平面型超构线圈来设计反共振发射线圈ATC，继而匹配接收线圈RC，搭建紧凑型的三阶Anti
‑
PT对称的WPT系统。
[0019]进一步地，ATC和RC的半径分别用R和r来表示；当固定R＝15cm时，ATC与RC的近场耦合系数是随着发射/接收端面积比增大指数衰减的κ0＝159.55e
‑
0.72R/r
。
[0020]进一步地，利用旁路电容作为合成维度的ATC的等效电路图，当交流电源电压为U＝
‑
I1Z时，ATC的Kirchhoff方程可以表示为：
[0021][0022]其中I1的I2和分别表示沿着不同方向的电流；
‑
Z表示电源阻抗；由于ATC结构的对称性，L1＝L2＝L以及C2＝C1；
[0023]假设1/C＝1/C1+1/C0，并且做合适的近似ω2‑
ω
02
≈2ω(ω
‑
ω0)；ATC结构模式的振幅表示为a
n
＝(
‑
iL<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高阶Anti
‑
PT对称的多负载无线电能传输系统，其特征在于，包括：利用W型反共振结构与Lorentz共振结构耦合，构造三阶的Anti
‑
PT对称WPT系统；对于W型反共振结构，两个失谐的模式ω
+
＝ω0+Δ和ω
‑
＝ω0‑
Δ之间的耦合系数为iγ，其中的Δ表示失谐量，W型反共振结构与共振结构中的谐振模式ω0之间的耦合系数为κ。所述系统的运动方程为：其中的γ
j
和Γ
j
(j＝+,
‑
,0)分别表示谐振模式a
j
＝A
j
e
‑
iωt
的辐射损耗以及本征损耗；κ
±
表示反共振结构与共振结构之间的近场耦合强度；和表示外界输入到反共振结构的电磁波；考虑γ
+
＝γ
‑
＝γ0/2＝γ，κ
+
＝κ
‑
＝κ，忽略系统的本征损耗Γ
+
＝Γ
‑
＝Γ0＝0，并考虑无反射条件时，系统的动力学方程可以表示为：此时系统的等效哈密顿表示为：其中ω0表示共振以及反共振系统的中心频率，Δ表示反共振结构的频率失谐量，κ表示反共振结构与共振结构的耦合强度，γ表示反共振结构中两个失谐模式的辐射损耗；从公式(3)确定非厄密系统是满足三阶Anti
‑
PT对称条件(PT)H(PT)
‑1＝PH
*
P＝
‑
H的，而且系统的对称中心为频率空间的ω0。2.根据权利要求1所述的基于高阶Anti
‑
PT对称的多负载无线电能传输系统，其特征在于，为了不失一般性，首先假设γ＝1，此时不同耦合强度κ下，系统模式发生合并的位置即对应非厄密系统的奇异点。3.根据权利要求1所述的基于高阶Anti
‑
PT对称的多负载无线电能传输系统，其特征在于，根据公式(1)，由W型反共振结构与Lorentz共振结构三阶Anti
‑
PT对称的WPT系统的传输效率表示为：其中的S
2+
表示从共振结构输出的信号，和表示从反共振结构输入的信号。A0表示共振结构的振幅，A
+
和A
‑
表示反共振结构失谐模式的振幅；在固定的工作频率ω＝ω0下，

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志伟，李云辉，杨逢青，吴显，祝可嘉，江俊，孙勇，江海涛，陈鸿，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：