本發(fā)明涉及無線電能傳輸，特別涉及一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術：

1、無線電力傳輸(wpt)在各種不允許物理連接的領域顯示出令人興奮和有前景的應用。在現(xiàn)代物理概念和日益增長的實際需求的推動下，非輻射wpt技術的所謂磁共振機制近年來得到了快速發(fā)展。然而，當發(fā)射線圈和接收線圈錯位或存在相對運動時，傳統(tǒng)的wpt系統(tǒng)不具有魯棒性，從而產生相互耦合的變化。

2、宇稱時間對稱(parity-time?symmetric，pt-symmetric)根植于量子物理學，為研究非厄密哈密頓量開辟了一個不同的視角。隨著wpt器件的發(fā)展，高效、遠程、魯棒的pt-wpt是人們迫切需要的。然而，設計一個具有魯棒性的遠距離pt-wpt系統(tǒng)是極具挑戰(zhàn)性的。目前，wpt方案對傳輸距離和結構擾動具有固有的敏感性，這是各種應用場景的本質挑戰(zhàn)。

3、目前，磁共振pt-wpt系統(tǒng)的研究已相對成熟。pt對稱wpt系統(tǒng)具有真實的頻譜，可以自動選擇與最高效率相對應的工作頻率，從而保證在大范圍的傳輸距離內實現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸，而無需任何主動調諧。高階pt對稱系統(tǒng)有望在更大縱向頻率分裂范圍和更寬的橫向精確pt對稱區(qū)域實現(xiàn)魯棒wpt。

4、綜上所述，構建高階pt-wpt系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以在寬耦合范圍、寬耦合條件等方面實現(xiàn)進一步的優(yōu)化，這在該領域的發(fā)展中具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、1.發(fā)明要解決的技術問題

2、本發(fā)明基于非厄密物理和宇稱時間對稱無線電能傳輸技術(pt-pwt)，設計了一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，以解決或完善以下幾點問題：

3、(1)研究者們開始不滿足于傳統(tǒng)的二階pt系統(tǒng)，開始嘗試構建高階pt系統(tǒng)來進一步探索和提升原始pt系統(tǒng)所具有的傳輸優(yōu)勢和固有特征。然而，目前的研究大多停留在低階pt系統(tǒng)，缺少高階pt-wpt的研究。也即在目前的研究中，缺少一個可以滿足更長的耦合距離和更穩(wěn)定的傳輸效率的高階pt-wpt系統(tǒng)。

4、(2)具有二階耦合模方程的原始pt-wpt，因其寬耦合和無需主動調諧的傳輸優(yōu)勢而聞名。目前的研究中，學者們已不再滿足原始pt-wpt系統(tǒng)的傳輸優(yōu)勢，即原始pt-wpt的穩(wěn)定性已經不滿足現(xiàn)有的需要。

5、(3)在二階pt-wpt系統(tǒng)中，其存在對耦合強度的敏感性高的缺陷。這使得系統(tǒng)需要滿足各種參數(shù)需求才能實現(xiàn)寬耦合，系統(tǒng)需要排除各種干擾，導致二階pt-wpt有效穩(wěn)定性較低。

6、(4)目前的pt系統(tǒng)大多使用s-s型拓撲結構，然而s-s型的pt-wpt系統(tǒng)敏感性較高，穩(wěn)定性較差。

7、2.技術方案

8、為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為：

9、本發(fā)明的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置，兩個電容和電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)構成sp結構的發(fā)射裝置和ps結構的接收裝置，在發(fā)射裝置和接收裝置之間設置多組中繼線圈電路。

10、更進一步地，所述的發(fā)射裝置包括電源，全橋逆變器，諧振電容c1s、c1p和電感l(wèi)1；其中，在關聯(lián)參考方向下，全橋逆變器兩端的電壓和流過的電流反向，與電源共同等效為1個負電阻-rn，諧振電容c1s、c1p和電阻-rn并聯(lián)再和電感l(wèi)1串聯(lián)構成sp結構。

11、更進一步地，所述的接收裝置包括接收電感l(wèi)5，諧振電容c5s、c5p和負載rl；其中，諧振電容c5s、c5p和負載rl并聯(lián)再和電感l(wèi)5串聯(lián)構成ps結構。

12、更進一步地，在發(fā)射裝置和接收裝置之間共設置3組中繼線圈電路。

13、更進一步地，在第一組中繼線圈電路中，電感l(wèi)2、電容c2組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)1和電感l(wèi)2相鄰，存在互感m12；在第二組中繼線圈電路中，電感l(wèi)3、電容c3組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)2和電感l(wèi)3為相鄰線圈，存在互感m23；在第三組中繼線圈電路中，電感l(wèi)4、電容c4組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)3和電感l(wèi)4為相鄰線圈，存在互感m34；同時，電感l(wèi)4與電感l(wèi)5為相鄰線圈，存在互感m45。

14、更進一步地，發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中非相鄰線圈之間的互感為0。

15、更進一步地，發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中存在線圈內阻rn，n＝1,2,3,4,5，線圈內阻非常小，能夠忽略不計。

16、更進一步地，中繼線圈電路中的電感的線圈匝數(shù)大于發(fā)射裝置、接收裝置中電感的線圈匝數(shù)。

17、更進一步地，發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中各個線圈之間的距離相等。

18、更進一步地，發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中各個線圈保持相同的諧振頻率即ω1＝ω2＝ω3＝ω4＝ω5＝ω，以及相等的耦合系數(shù)即k12＝k23＝k34＝k45＝k。

19、3.有益效果

20、采用本發(fā)明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下顯著效果：

21、(1)本發(fā)明設計了一種具有多線圈結構的pt-wpt系統(tǒng)，通過在發(fā)射線圈和接收線圈之間插入中繼線圈不僅增強了能量傳輸?shù)倪^程，還降低了臨界耦合條件，讓系統(tǒng)可以更容易的工作在強耦合區(qū)。此外，在拓撲上采用sp-ps結構，讓pt系統(tǒng)所具有的寬耦合特性得到進一步增強。

22、(2)本發(fā)明通過設計多線圈結構的pt-wpt系統(tǒng)，把具有魯棒性的無線電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x擴大了三倍。此外，多線圈結構下，pt-wpt系統(tǒng)表現(xiàn)更強的傳輸穩(wěn)定性。

23、(3)本發(fā)明相較于同條件下的雙線圈pt-wpt系統(tǒng)，具有更大頻譜，在縱向頻率分裂上，具有更大的頻率選擇范圍。這說明本發(fā)明具有更大的縱向頻率分裂區(qū)域，增大了寬耦合范圍，擴大了強耦合區(qū)域。

24、(4)本發(fā)明的pt-wpt系統(tǒng)采用改進的新的sp-ps拓撲結構，使得接收線圈上的雙電容之間的關系可以動態(tài)的調整線圈的傳輸效率，使得線圈的傳輸效率更加的靈活和可控，相比于原始pt-wpt系統(tǒng)的主動調諧的性能更好，并且相對于傳統(tǒng)的s-s和pp等結構的pt-wpt系統(tǒng)，穩(wěn)定性更好。

25、(5)本發(fā)明中五線圈結構的pt-wpt系統(tǒng)存在一個與耦合無關的實特征頻率，這意味著與兩線圈、四線圈和六線圈pt-wpt系統(tǒng)相比，具有pt對稱的五線圈pt-wpt系統(tǒng)可以在沒有頻率跟蹤的情況下在不同距離上高效工作。這可以解釋為所使用的五線圈模型的特征頻率對耦合強度的敏感性低，使得五線圈具有魯棒性的優(yōu)勢。

技術特征：

1.一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：包括發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置，兩個電容和電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)構成sp結構的發(fā)射裝置和ps結構的接收裝置，在發(fā)射裝置和接收裝置之間設置多組中繼線圈電路。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所述的發(fā)射裝置包括電源，全橋逆變器，諧振電容c1s、c1p和電感l(wèi)1；其中，在關聯(lián)參考方向下，全橋逆變器兩端的電壓和流過的電流反向，與電源共同等效為1個負電阻-rn，諧振電容c1s、c1p和電阻-rn并聯(lián)再和電感l(wèi)1串聯(lián)構成sp結構。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所述的接收裝置包括接收電感l(wèi)5，諧振電容c5s、c5p和負載rl；其中，諧振電容c5s、c5p和負載rl并聯(lián)再和電感l(wèi)5串聯(lián)構成ps結構。

4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：在發(fā)射裝置和接收裝置之間共設置3組中繼線圈電路。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：在第一組中繼線圈電路中，電感l(wèi)2、電容c2組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)1和電感l(wèi)2相鄰，存在互感m12；在第二組中繼線圈電路中，電感l(wèi)3、電容c3組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)2和電感l(wèi)3為相鄰線圈，存在互感m23；在第三組中繼線圈電路中，電感l(wèi)4、電容c4組成閉環(huán)回路，電感l(wèi)3和電感l(wèi)4為相鄰線圈，存在互感m34；同時，電感l(wèi)4與電感l(wèi)5為相鄰線圈，存在互感m45。

6.根據(jù)權利要求5所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中非相鄰線圈之間的互感為0。

7.根據(jù)權利要求6所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中存在線圈內阻rn，n＝1,2,3,4,5，線圈內阻非常小，能夠忽略不計。

8.根據(jù)權利要求7所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：中繼線圈電路中的電感的線圈匝數(shù)大于發(fā)射裝置、接收裝置中電感的線圈匝數(shù)。

9.根據(jù)權利要求8所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中各個線圈之間的距離相等。

10.根據(jù)權利要求9所述的一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中各個線圈保持相同的諧振頻率即ω1＝ω2＝ω3＝ω4＝ω5＝ω，以及相等的耦合系數(shù)即k12＝k23＝k34＝k45＝k。

技術總結
本發(fā)明公開了一種具有多線圈結構的遠距離宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)，屬于無線電能傳輸技術領域。本發(fā)明包括發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置，在發(fā)射裝置和接收裝置之間設置多組中繼線圈電路。發(fā)射裝置在關聯(lián)參考方向下，全橋逆變器兩端的電壓和流過的電流反向，與電源共同等效為1個負電阻?R<subgt;N</subgt;，諧振電容C<subgt;1s</subgt;、C<subgt;1p</subgt;和電阻?R<subgt;N</subgt;并聯(lián)再和電感L<subgt;1</subgt;串聯(lián)構成SP結構。接收裝置的諧振電容C<subgt;5s</subgt;、C<subgt;5p</subgt;和負載R<subgt;L</subgt;并聯(lián)再和電感L<subgt;5</subgt;串聯(lián)構成PS結構。本發(fā)明不僅增強了能量傳輸?shù)倪^程，還降低了臨界耦合條件，讓系統(tǒng)可以更容易的工作在強耦合區(qū)。此外，在拓撲上采用SP?PS結構，讓PT系統(tǒng)所具有的寬耦合特性得到進一步增強。

技術研發(fā)人員：程木田,許彪彪,聞友龍,吳子炫,路云寧,馬小三
受保護的技術使用者：安徽工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26