一种基于PT对称原理的双向无线电能传输系统的制作方法

本实用新型涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种基于pt对称原理的双向无线电能传输系统。

背景技术：

随着能源互联网概念的提出以及智能配电网相关技术的发展，双向无线电能传输系统逐渐展现出了独特的优势。例如对于电网而言，双向无线电能传输系统允许电网电能与车载电池之间电能的双向流动，此时电动汽车不仅是电网的用电设备，也是一种重要的移动式储能系统，通过恰当的调制，可实现电动汽车有序充电、电网削峰填谷等优化运行功能，对提升能源互联网的稳定性具有重要意义。但是，现有的双向无线电能传输系统主要是基于感应式和谐振式无线电能传输技术，输出功率和传输效率极易受原、副边线圈之间相对位置的影响，极大限制了双向无线电能传输技术的应用。

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，但还未有学者将其应用在双向无线电能传输系统中，目前处于空白。

技术实现要素：

本实用新型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对称原理的双向无线电能传输系统，可以通过控制原、副边符号可变电阻的符号灵活的改变功率的传输方向，实现能量的双向传递，并在宇称-时间对称区域内，能实现恒定的传输效率和输出功率，具有很强的抗偏移能力，在实际应用中具有显著优势。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种基于pt对称原理的双向无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括串联连接的原边符号可变电阻、原边调谐电容、原边线圈和原边回路等效内阻，所述副边电路包括串联连接的副边符号可变电阻、副边调谐电容、副边线圈和副边回路等效内阻；所述原边符号可变电阻包括相连的原边交流受控电压源和原边控制模块，其中，所述原边控制模块包括依次相连的原边电流采样模块、原边相位控制模块和原边开关驱动模块，所述原边电流采样模块采样原边回路电流，经原边相位控制模块转化为与原边回路电流完全反相或同相的方波，经原边开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至原边交流受控电压源；所述副边符号可变电阻包括相连的副边交流受控电压源和副边控制模块，其中，所述副边控制模块包括依次相连的副边电流采样模块、副边相位控制模块和副边开关驱动模块，所述副边电流采样模块采样副边回路电流，经副边相位控制模块转化为与副边回路电流完全反相或同相的方波，经副边开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至副边交流受控电压源。

进一步，所述原、副边交流受控电压源为具有双向传输功率能力的电路拓扑。

进一步，所述电路拓扑为全桥型电路拓扑。

进一步，所述原、副边符号可变电阻两端电压和流过的电流相位关系满足同向或者反相，反相时符号为负，电阻发出功率，电阻值大小自动可调，同向时符号为正，电阻吸收功率，电阻值大小由输出功率确定，且同一时刻原、副边符号可变电阻符号相反。

进一步，系统功率的传输方向能够通过控制原、副边符号可变电阻的符号灵活改变，实现能量的双向传递，当原边符号可变电阻为负电阻、副边符号可变电阻为正电阻时，功率由原边传向副边，当副边符号可变电阻为负电阻、原边符号可变电阻为正电阻时，功率由副边传向原边。

进一步，系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：

其中，表示原边线圈回路的固有频率，表示副边线圈回路的固有频率，l1、l2分别为原、副边线圈的电感值；c1、c2分别为原、副边调谐电容值；±rs2为分别为原、副边符号可变电阻值；r1、rs分为原、副边回路的等效内阻值。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本系统可以通过控制原、副边符号可变电阻的符号灵活的改变功率的传输方向，实现能量的双向传递。

2、本系统在宇称-时间对称区域内，可以实现恒定的传输效率和输出功率，具有很强的抗偏移能力，在实际应用中具有显著优势。

附图说明

图1为基于pt对称原理的双向无线电能传输系统的结构框图。

图2为基于pt对称原理的双向无线电能传输系统的等效电路示意图。

图3为实施方式中系统功率正向传输时，原、副边符号可变电阻电压、电流的波形图。

图4为实施方式中系统功率反向传输时，原、副边符号可变电阻电压、电流的波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型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对称原理的双向无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括串联连接的原边符号可变电阻1、原边调谐电容c1、原边线圈l1和原边回路等效内阻r1，所述副边电路包括串联连接的副边符号可变电阻2、副边调谐电容c2、副边线圈l2和副边回路等效内阻r2；所述原边符号可变电阻1包括相连的原边交流受控电压源11和原边控制模块12，其中，所述原边控制模块12包括依次相连的原边电流采样模块121、原边相位控制模块122和原边开关驱动模块123，所述原边电流采样模块121采样原边回路电流，经原边相位控制模块122转化为与原边回路电流完全反相或同相的方波，经原边开关驱动模块123产生开关器件的驱动信号至原边交流受控电压源11；所述副边符号可变电阻2包括相连的副边交流受控电压源21和副边控制模块22，其中，所述副边控制模块22包括依次相连的副边电流采样模块221、副边相位控制模块222和副边开关驱动模块223，所述副边电流采样模块221采样副边回路电流，经副边相位控制模块222转化为与副边回路电流完全反相或同相的方波，经副边开关驱动模块223产生开关器件的驱动信号至副边交流受控电压源21。

图2为系统的等效电路图，不妨先假设功率由原边传向副边，此时原边符号可变电阻为负电阻，副边符号可变电阻为正电阻，根据图2，由基尔霍夫定律可得：

式(1)中，-rs1边符号可变电阻阻值，+rs2为副边符号可变电阻阻值；ω为系统的工作频率，表示原边线圈回路的固有频率，表示副边线圈回路的固有频率，l1、l2分别为原、副边线圈的电感值；c1、c2分别为原、副边调谐电容值；r1、rs分为原、副边回路的等效内阻值，分别为原边回路和副边回路电流向量，为原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，m12为原边线圈与副边线圈之间的互感值。

式(1)有非零解的条件是：

对式(2)进行实虚部分离可得：

当原边回路和副边回路构成宇称-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)，可得原边回路电流有效值i1与副边回路电流有效值i2之比为：

此时系统的传输效率η1等于：

传输功率po1等于：

式中v1，v2分别是原、副边符号可变电阻两端电压。

当功率由副边传向原边时，原边符号可变电阻为正电阻+rs1，副边符号可变电阻为负电阻-rs2，分析过程与功率由原边传向副边时相同，此时系统需满足的工作条件为：

频率解为：

系统的传输效率与功率为：

为了进一步说明本实用新型的优点，在本实施例中，设计了一种基于宇称-时间对称原理的双向无线电能传输系统。系统的电气参数如下：原边线圈电感l1＝100μh，副边线圈电感l2＝100μh，原、副边线圈之间的互感m12＝20μh,固有频率ω1＝ω2＝300khz，等效内阻r1＝r2＝0.2ω。图3为系统功率正向传输时，原、副边符号可变电阻电压、电流的波形图，此时原边符号可变电阻电压、电流反相为负电阻，为系统提供能量，副边符号可变电阻电压、电流同相为正电阻，吸收能量。图4为系统功率反向传输时，原、副边符号可变电阻电压、电流的波形图，此时副边符号可变电阻电压、电流反相为负电阻，为系统提供能量，原边符号可变电阻电压、电流同相为正电阻，吸收能量。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，本实用新型及其实施例不应仅限于此，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。