基于PT对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统的制作方法

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对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统。

背景技术：

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。但感应式无线电能传输技术传输距离短、效率低，磁共振无线电能传输技术存在频率分裂、谐振频率高、输出功率小、近距离甚至无法输出功率等问题。两者存在的瓶颈问题尚未解决，极大的限制了无线电能传输技术的实际应用。

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，但传统的基于宇称-时间对称原理的单接收线圈系统的传输效率并未达到最优。

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，提供一种基于pt对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统，在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。同时相比于基于宇称-时间对称原理的单接收线圈的系统，本实用新型有效提高了系统的传输效率，降低了流过发射线圈和接收线圈的电流值，对于大功率的应用场合，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：基于pt对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统，所述无线供电系统包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括负电阻和发射模块，所述负电阻和发射模块串联连接，为系统提供能量，所述发射模块由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收装置包括n个接收模块和负载，所述n个接收模块和负载并联连接，且每个接收模块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。

进一步，所述n个接收模块的接收线圈参数对称且与发射线圈之间的耦合程度相同，同时该n个接收模块的接收线圈相互之间完全解耦，即满足：

其中，和分别表示第i个接收线圈的电感值、等效内阻值以及与发射线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n；表示第i个接收线圈和第j个接收线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n且i≠j，表示发射线圈与第i个接收线圈之间的互感值。

进一步，所述无线供电系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：

其中，表示发射线圈回路的固有频率，表示各个接收线圈回路的固有频率，lp为发射线圈的电感值，ls为各个接收线圈的电感值，即cp为发射端谐振电容值，cs为各个接收端谐振电容值，即-rn为负电阻阻值，rl为负载电阻值；rp为发射线圈等效内阻值，rs为各个接收线圈等效内阻值，即为发射线圈和各个接收线圈之间的互感系数，mps为发射线圈与各个接收线圈之间的互感值，即

进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：相位关系满足：其中，为流过负电阻的电流，v1为负电阻两端的电压，-rn为负电阻的阻值，且自动可调。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本系统结构简单可靠，在负载固定时能实现恒定的传输效率和输出功率。

2、相比传统单接收线圈的基于宇称-时间对称原理的无线供电系统，本实用新型系统传输效率显著提高。

3、本实用新型系统采用多线圈并联供电，有效提高了系统输出功率的能力，适用于有大功率需求的场合，具有显著优势。

附图说明

图1为基于pt对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统等效电路示意图。

图2为实施方式中两个对称并完全解耦的线圈结构示意图。

图3为实施方式中另外一种两个对称并完全解耦的线圈结构示意图。

图4为实施方式中系统传输效率与耦合系数的关系曲线。

图5为实施方式中系统输出功率与耦合系数的关系曲线。

图6为实施方式中双接收线圈无线供电系统与传统单接收线圈无线充电系统在不同负载下的效率曲线对比图。

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对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统，包括发射装置和接收装置两部分，所述发射装置包括负电阻-rn和发射模块，所述负电阻-rn和发射模块串联连接，所述负电阻-rn为系统提供能量，所述发射模块由串联连接的发射线圈lp、发射端谐振电容cp和发射线圈等效内阻rp组成；所述接收装置包括n个接收模块和负载rl，所述n个接收模块和负载rl并联连接，每个接收模块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。

进一步，所述n个接收模块的接收线圈参数对称且与发射线圈之间的耦合程度相同，另外n个接收模块的接收线圈相互之间完全解耦，则根据图1，由基尔霍夫定律可得：

式(1)中，-rn为负电阻阻值，rl为负载电阻值；lp为发射线圈的电感值，cp为发射端谐振电容值，rp为发射线圈等效内阻值；和分别表示第i个接收线圈的电感值、等效内阻值以及第i个接收端谐振电容，为发射线圈与第i个接收线圈之间的互感值，分别为发射回路和第i个接收回路电流向量，其中i＝1,2,3…n；ω为系统的工作频率。

由于n个接收线圈参数完全对称且与发射线圈的耦合程度相同，可知

令ls为各个接收线圈的电感值，cs为各个接收端谐振电容值，rs为各个接收线圈的内阻值，为发射回路的固有频率,为各个接收回路的固有频率，则式(1)可化简化为：

其中，为发射线圈和各个接收线圈之间的互感系数，为等效接收回路电流向量。

式(2)有非零解的条件是：

对式(3)进行实虚部分离可得：

当发射回路和等效接收回路构成宇称-时间对称电路时，即

则式(4)可简化为：

由上式可得频率解为：

由式(7)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(2)和式(5)，可得发射回路电流有效值ip与等效接收回路电流有效值i′s之比为：

又根据功率守恒可得：

此时系统的效率η等于：

传输功率po等于：

假设传统基于pt对称原理的单接收线圈供电系统与本实用新型提出的基于pt对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统的发射线圈电感值和接收线圈电感值之比(lp/ls)相等，则由式(11)可知在同等输出功率的情况下，相比于基于pt对称原理的单接收线圈的供电系统，采用多接收线圈并联供电能有效减小流过发射和接收线圈的电流值；同时，由式(12)可知，采用多接收线圈并联供电能有效提高系统的传输效率。

为了进一步说明本实用新型的优点，在本实施例中，作为举例，设计了一个基于宇称-时间对称原理的双接收线圈并联供电的无线供电系统。系统的电气参数如下：v1＝100v，发射线圈电感lp＝100μh，接收线圈电感固有频率ωp＝ωs＝300khz，等效内阻负电阻由电力电子电路实现。

可选地，图2为一种两个参数对称且互相解耦的接收线圈结构，采用两个完全对称的dd型线圈垂直叠放的方式实现，此方案中发射线圈也采用相同的结构，仅将两层dd型线圈改为串联连接；可选地，图3为另一种两个参数对称且互相解耦的接收线圈结构，通过将两个完全对称的平面线圈部分重叠实现，优选的，采用两个完全对称的矩形平面线圈，优选地，此方案中发射线圈采用平面矩形线圈，但接收线圈与发射线圈不仅限于上述两种结构。

图4，图5为负载rl＝5ω时，系统传输效率、输出功率与耦合系数的关系曲，从图可见本实用新型提出的系统在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。在耦合系数k＝0.2时，双接收线圈无线供电系统与传统单接收线圈无线充电系统在不同负载下的效率曲线如图6所示，从图可见本实用新型提出的系统能有效提高传输效率，具有实际推广价值，值得推广。

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。