本發(fā)明涉及無線電能傳輸，特別涉及一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)稱無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無線電力傳輸(wpt)在各種不允許物理連接的領(lǐng)域顯示出令人興奮和有前景的應(yīng)用。在現(xiàn)代物理概念和日益增長的實(shí)際需求的推動(dòng)下，非輻射wpt技術(shù)的所謂磁共振機(jī)制近年來得到了快速發(fā)展。然而，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈錯(cuò)位或存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的wpt系統(tǒng)不具有魯棒性，從而產(chǎn)生相互耦合的變化。

2、宇稱時(shí)間對(duì)稱(parity-time?symmetric，pt-symmetric)根植于量子物理學(xué)，為研究非厄密哈密頓量開辟了一個(gè)不同的視角。隨著wpt器件的發(fā)展，高效、遠(yuǎn)程、魯棒的pt-wpt是人們迫切需要的。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)具有魯棒性的遠(yuǎn)距離pt-wpt系統(tǒng)是極具挑戰(zhàn)性的。目前，wpt方案對(duì)傳輸距離和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)具有固有的敏感性，這是各種應(yīng)用場景的本質(zhì)挑戰(zhàn)。

3、目前，磁共振pt-wpt系統(tǒng)的研究已相對(duì)成熟。pt對(duì)稱wpt系統(tǒng)具有真實(shí)的頻譜，可以自動(dòng)選擇與最高效率相對(duì)應(yīng)的工作頻率，從而保證在大范圍的傳輸距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸，而無需任何主動(dòng)調(diào)諧。高階pt對(duì)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(duì)稱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)魯棒wpt。

4、綜上所述，構(gòu)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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化，這在該領(lǐng)域的發(fā)展中具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明基于非厄密物理和宇稱時(shí)間對(duì)稱無線電能傳輸技術(shù)(pt-pwt)，設(shè)計(jì)了一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)稱無線電能傳輸系統(tǒng)，以解決或完善以下幾點(diǎn)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(gòu)建高階pt系統(tǒng)來進(jìn)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(gè)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(dòng)調(diào)諧的傳輸優(yōu)勢而聞名。目前的研究中，學(xué)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(jīng)不滿足現(xiàn)有的需要。

5、(3)在二階pt-wpt系統(tǒng)中，其存在對(duì)耦合強(qiáng)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(shí)現(xiàn)寬耦合，系統(tǒng)需要排除各種干擾，導(dǎo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shù)方案

8、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

9、本發(fā)明的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(gè)電容和電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)構(gòu)成sp結(jié)構(gòu)的發(fā)射裝置和ps結(jié)構(gòu)的接收裝置，在發(fā)射裝置和接收裝置之間設(shè)置多組中繼線圈電路。

10、更進(jìn)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(guān)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(gè)負(fù)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(gòu)成sp結(jié)構(gòu)。

11、更進(jìn)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(fù)載rl；其中，諧振電容c5s、c5p和負(fù)載rl并聯(lián)再和電感l(wèi)5串聯(lián)構(gòu)成ps結(jié)構(gòu)。

12、更進(jìn)一步地，在發(fā)射裝置和接收裝置之間共設(shè)置3組中繼線圈電路。

13、更進(jìn)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(shí)，電感l(wèi)4與電感l(wèi)5為相鄰線圈，存在互感m45。

14、更進(jìn)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(jìn)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(nèi)阻rn，n＝1,2,3,4,5，線圈內(nèi)阻非常小，能夠忽略不計(jì)。

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

18、更進(jìn)一步地，發(fā)射裝置，中繼線圈電路和接收裝置中各個(gè)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(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：

21、(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有多線圈結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)耦合區(qū)。此外，在拓?fù)渖喜捎胹p-ps結(jié)構(gòu)，讓pt系統(tǒng)所具有的寬耦合特性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

22、(2)本發(fā)明通過設(shè)計(jì)多線圈結(jié)構(gòu)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(kuò)大了三倍。此外，多線圈結(jié)構(gòu)下，pt-wpt系統(tǒng)表現(xiàn)更強(qiáng)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(kuò)大了強(qiáng)耦合區(qū)域。

24、(4)本發(fā)明的pt-wpt系統(tǒng)采用改進(jìn)的新的sp-ps拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得接收線圈上的雙電容之間的關(guān)系可以動(dòng)態(tài)的調(diào)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(dòng)調(diào)諧的性能更好，并且相對(duì)于傳統(tǒng)的s-s和pp等結(jié)構(gòu)的pt-wpt系統(tǒng)，穩(wěn)定性更好。

25、(5)本發(fā)明中五線圈結(jié)構(gòu)的pt-wpt系統(tǒng)存在一個(gè)與耦合無關(guān)的實(shí)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(duì)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(duì)耦合強(qiáng)度的敏感性低，使得五線圈具有魯棒性的優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(gè)電容和電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)構(gòu)成sp結(jié)構(gòu)的發(fā)射裝置和ps結(jié)構(gòu)的接收裝置，在發(fā)射裝置和接收裝置之間設(shè)置多組中繼線圈電路。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(guān)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(gè)負(fù)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(gòu)成sp結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(fù)載rl；其中，諧振電容c5s、c5p和負(fù)載rl并聯(lián)再和電感l(wèi)5串聯(lián)構(gòu)成ps結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(shè)置3組中繼線圈電路。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(shí)，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(quán)利要求5所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(quán)利要求6所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(nèi)阻rn，n＝1,2,3,4,5，線圈內(nèi)阻非常小，能夠忽略不計(jì)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(quán)利要求8所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(gè)線圈之間的距離相等。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)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(gè)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(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有多線圈結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離宇稱時(shí)間對(duì)稱無線電能傳輸系統(tǒng)，屬于無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)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(shè)置多組中繼線圈電路。發(fā)射裝置在關(guān)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(gè)負(fù)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(gòu)成SP結(jié)構(gòu)。接收裝置的諧振電容C<subgt;5s</subgt;、C<subgt;5p</subgt;和負(fù)載R<subgt;L</subgt;并聯(lián)再和電感L<subgt;5</subgt;串聯(lián)構(gòu)成PS結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不僅增強(qiáng)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(qiáng)耦合區(qū)。此外，在拓?fù)渖喜捎肧P?PS結(jié)構(gòu)，讓PT系統(tǒng)所具有的寬耦合特性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

技術(shù)研發(fā)人員：程木田,許彪彪,聞?dòng)妖?吳子炫,路云寧,馬小三
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26