一种基于PT对称的并联多发射多接收无线电能传输系统

一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统
技术领域
1.本发明涉及无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术领域，尤其涉及一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统。


背景技术：

2.无线电能传输(wireless power transfer,wpt)系统，因其在电能的接收端与发射端无需使用导线进行连接，因此避免了由于传统的有线电能传输过程中产生的电火花、以及接口老化等诸多问题，大大提升了电能传输方面的安全性与便捷性。2007年，mit研究团队提出了磁耦合谐振式/无线电能传输系统，该系统实现了在2m的传输距离下，以40％的传输效率成功让60w的灯泡工作。从此wpt系统就成为了电能传输领域的研究重点。
3.在wpt系统中一直亟待解决的问题是由于发射线圈与接收线圈的相对位置发生偏移时带来的输出功率和传输功率大幅度变化，即偏移问题。针对这个问题，有文献首次将宇称时间(parity-time，pt)对称理论应用于wpt系统之中，其利用运算放大器构建了非线性饱和增益—负电阻，实现了在发射线圈和接收线圈的耦合系数大于临界值时，系统的输出功率和传输功率保持恒定。并且该系统的设计中无须发射端和接收侧的双端通信。在后续研究中，以华南理工大学张波教授为首的研究团队，多次将pt对称原理应用于wpt系统中，并在国内外发表了多项学术成果，推动了pt对称原理在wpt系统的应用。有文献提出了一种基于电场耦合和磁场耦合的双耦合式wpt系统，运用pt对称原理来实现系统的强鲁棒性。并通过耦合模理论对整个系统进行理论分析，由此推导出了系统的输出功率、传输效率的表达式。最后设计了一个在1.4m范围内，保持恒定输出功率70w和恒定传输效率70％的wpt系统。还有文献基于耦合模理论(coupled-mode theory，cmt)分析了基于pt对称原理的wpt系统的传输性能，利用雅克比矩阵对整个系统进行了稳定性判定。理论表明在强耦合区域，wpt系统能实现输出功率恒定和传输功率恒定，并设计出了一个以传输效率为93.6％的无人机无线充电系统。还有文献着力于电动汽车无线充电领域，建立了基于pt对称的wpt系统的电路模型，并推导出在ss拓扑下维持wpt系统输出功率、传输效率恒定的临界耦合系数。并设计出由一个发射线圈、两个接收线圈组成的wpt系统，其结果表明多接收线圈能显著提高传输效率。还有文献在基于pt对称的wpt系统下，引入了中继线圈，并建立了相应的耦合模型和电路稳态模型，并分别搭建了含有一个中继线圈和含有两个中继线圈的实验平台，其结果表明中继线圈的加入能使保持恒定输出功率和恒定传输效率的传输距离得到有效延长，但整个系统的传输效率会有略微降低。还有文献在基于pt对称原理的wpt系统的基础上，提出了一种结合了自激振荡和脉宽调制的控制策略。当wpt系统强耦合状态下，此时处于pt对称状态，可以实现恒定输出功率和恒定传输效率。当wpt系统处于弱耦合状态下，即破碎的pt对称状态，在初级侧采用了脉宽调制策略，使输出功率、传输效率保持稳定。
4.上述文献大多针对基于pt对称原理的单一发射线圈和单一接收线圈wpt系统进行理论推导和对其稳定性进行判定，以及提出了基于pt对称原理下一对多wpt系统的电路模型，但上述内容均未研究基于pt对称下的多发射线圈和多接收线圈的线圈个数对系统输出
功率和传输效率的影响，无法使基于pt对称原理的无线电能传输技术向颇具现实意义的多接收线圈和多接收线圈发展。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何将多发射多接收线圈应用在基于pt对称的无线电能传输系统中，并保持良好的输出功率和传输效率。
6.为解决以上技术问题，本发明提供一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统，包括发射端和接收端；
7.所述发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、并联多发射线圈电路，以及顺序连接在所述高频逆变器的输出端与驱动端之间的电流传感器和过零比较器；直流电源经所述高频逆变器全桥逆变后得到高频电压，再通过所述电流传感器感应得到输出电流信号输入所述过零比较器，再由所述过零比较器将对应的过零信号反馈至驱动模块，产生相应的驱动信号作用于所述高频逆变器，以使所述高频逆变器的输出电压和输出电流保持同相位；
8.所述接收端包括顺序连接的并联多接收线圈电路、整流器和等效负载电阻r
l
；
9.所述并联多发射线圈电路包括m个并联在所述高频逆变器两输出端之间的发射子线圈电路，每个所述发射子线圈电路包括串联连接的发射子线圈和原边补偿电容，m≥2；所述并联多接收线圈电路包括n个并联在所述整流器两输入端之间的接收子线圈电路，每个所述接收子线圈电路包括串联连接的接收子线圈和副边补偿电容，n≥2。
10.优选的，m个发射子线圈的规格参数一致，即：
11.r
p1
＝
…rpi
…
＝r
pm
＝r
p
,x
p1
＝
…
x
pi
…
＝x
pm
,l
p1
＝
…
l
pi
…
＝l
pm
＝l
p
，
12.r
pi
为第i个发射子线圈的寄生电阻，为第i个发射子线圈所在初级侧回路的阻抗，l
pi
为第i个发射子线圈的自感，c
pi
为与第i个发射子线圈串联的第i个原边谐振电容，i＝1,2
…
m，ω为系统的工作角频率；
13.n个接收子线圈的规格参数一致，即：
14.r
s1
＝
…rsk
…
＝r
sn
＝rs,x
s1
＝
…
x
sk
…
＝x
sn
,l
s1
＝
…
l
sk
…
＝l
sm
＝ls，
15.r
sk
为第k个接收子线圈的寄生电阻，为第k个接收子线圈所在次级侧回路的阻抗，l
sk
为第k个接收子线圈的自感，c
sk
为与第k个接收子线圈串联的第k个副边谐振电容，k＝1,2
…
n；
16.任意一个发射子线圈与任意一个接收子线圈的耦合系数相等均为k，任意一个发射子线圈与任意一个接收子线圈之间的互感相等即m
ik
＝m
ki
＝m
mn
＝m，第i个发射子线圈所在谐振回路的自然谐振频率为ω
pi
，第k个接收子线圈所在谐振回路的自然谐振频率为ω
sk
，ω
pi
＝ω
sk
＝ω0，i＝1,2
…
m，k＝1,2
…
n；
17.优选的，系统的工作角频率ω设计为：
18.优选的，以使ω在实数范围内，系统还满足：
19.ka为临界耦合系数。
20.优选的，为了保持恒定输出功率、恒定传输效率输出，k≥ka。
21.优选的，系统传输效率系统输出功率v
p
为高频逆变器输出电压的基波分量；
22.根据系统传输效率η的表达式、系统输出功率p的表达式，对系统传输效率η、系统输出功率p的实际需求，以及高频逆变器中开关管的电流应力，确定发射线圈数m和接收线圈数n。
23.本发明提供的一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统，与背景技术的各种基于pt对称的无线电能传输系统不同的是，本系统发射端采用了多个并联的发射子线圈，接收端采用了多个并联的接收子线圈，本系统还给出了在这种电路结构下的参数设计，以及系统保持恒定输出功率、恒定传输效率输出的条件，还给出了系统传输效率和输出功率的表达式，从而根据系统传输效率η的表达式、系统输出功率p的表达式，对系统传输效率η、系统输出功率p的实际需求，以及高频逆变器中开关管的电流应力，确定发射线圈数m和接收线圈数n，使得该系统保持良好的传输性能。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的非线性增益的实现原理图；
25.图2是本发明实施例提供的一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统的整体结构图；
26.图3是本发明实施例提供的一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统的等效电路图；
27.图4是本发明实施例提供的仿真中输出功率与发射线圈数m、接收线圈数n的关系图；
28.图5是本发明实施例提供的仿真中临界耦合系数ka与发射线圈数m、接收线圈数n的关系图；
29.图6是本发明实施例提供的仿真中一对一型系统和三对二型系统的输出功率对比图；
30.图7是本发明实施例提供的仿真中一对一型系统和三对二型系统的传输效率对比图。
具体实施方式
31.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
32.pt对称系统在时间反转和空间反转下，是保持恒定不变的。在pt对称下的wpt系统须满足：
33.(1)次级侧两端的自然谐振频率相等；
34.(2)含有非线性饱和增益——负电阻(其电压与电流反向)。
35.本实施例提出的系统均需满足上述要求。对于负电阻的实现，如图1的原理图所示，本实施例采用高频逆变器(由4个mos管q1、q2、q3、q4连接而成)对直流电源ud进行逆变得到高频电压，再通过电流传感器得到输出电流信号i
p
，再由过零比较器将过零信号反馈至高频逆变器的驱动模块，产生相应的驱动信号。通过上述操作，可以使全桥逆变器的输出电压和输出电流保持同相位，从而等效为负电阻-pn。
36.基于此，本发明实施例提供一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统，包括发射端和接收端。如图2的整体结构图所示，发射端包括顺序连接的直流电源dc、高频逆变器、并联多发射线圈电路，以及顺序连接在高频逆变器的输出端与驱动端之间的电流传感器和过零比较器。直流电源经高频逆变器全桥逆变后得到高频电压，再通过电流传感器感应得到输出电流信号输入过零比较器，再由过零比较器将对应的过零信号反馈至驱动模块，产生相应的驱动信号作用于高频逆变器，以使高频逆变器的输出电压和输出电流保持同相位。接收端包括顺序连接的并联多接收线圈电路、整流器和等效负载电阻r
l
。
37.如图3的等效电路图所示，并联多发射线圈电路包括m个并联在高频逆变器两输出端之间的发射子线圈电路，每个发射子线圈电路包括串联连接的发射子线圈和原边补偿电容，m≥2。并联多接收线圈电路包括n个并联在整流器两输入端之间的接收子线圈电路，每个接收子线圈电路包括串联连接的接收子线圈和副边补偿电容，n≥2。
38.其中，l
pi
,r
pi
分别为第i个初级侧回路中的发射线圈(第i个发射子线圈)的自感与寄生电阻，c
pi
为第i个初级侧回路中的串联补偿电容，l
sk
,r
sk
分别为第k个次级侧回路中的接收线圈(第k个接收子线圈)的自感与寄生电阻，c
sk
为第k个次级侧回路中的串联补偿电容，m
ik
为第i个初级侧回路中的发射线圈与第k个次级侧回路中的接收线圈之间的互感，i
pi
为第i个初级侧回路中的线圈电流，i
sk
为第k个次级侧回路中的线圈电流，ω为系统的工作角频率，角频率，为第i个初级侧回路的阻抗，为第k个次级侧回路的阻抗，i＝1,2,
……
,m，k＝1,2,
……
,n。
39.根据kvl定律，对图3所示等效电路图可列如下方程：
[0040][0041][0042]
对上述方程组，本实施例作出以下假设：
[0043]
(1)任意一个发射子线圈与任意一个接收子线圈的耦合系数相等均为k；
[0044]
(2)初级侧的发射线圈、二次侧的接收线圈均做解耦处理，即同一端的线圈之间不会产生互感；
[0045]
(3)所有的发射子线圈的规格参数一致，所有的接收子线圈的规格参数也一致。
[0046]
由上述假设得：
[0047]rp1
＝
…rpi
…
＝r
pm
＝r
p
,x
p1
＝
…
x
pi
…
＝x
pm
,l
p1
＝
…
l
pi
…
＝l
pm
＝l
p
，i＝1,2
…
m；
[0048]rs1
＝
…rsk
…
＝p
sn
＝rs,x
s1
＝
…
x
sk
…
＝x
sn
,l
s1
＝
…
l
sk
…
＝l
sm
＝ls，k＝1,2
…
n；
[0049]mik
＝m
ki
＝m
mn
＝m，i＝1,2
…
m，k＝1,2
…
n。
[0050]
基于上述假设，可将式(1)、式(2)简化为：
[0051][0052]
假设第i个发射线圈回路的自然谐振频率为ω
pi
(i＝1,2
……
,m)，第k个接收线圈回路的自然谐振频率为ω
sk
(k＝1,2,
……
,n)，且满足ω
pi
＝ω
sk
＝ω0，则可将式(3)化为：
[0053][0054]
若要上式有实数解则必须满足：
[0055][0056]
将上式(5)中的实部与虚部分离，则可以得到：
[0057][0058]
当系统满足pt对称原理时，ω≠ω0，则进一步对式(6)化简可得：
[0059][0060]
将式(7)代入式(6)中，可得ω的两个解为：
[0061][0062]
将式(8)进一步化简得：
[0063][0064]
要使上式ω在实数范围内，则有：
[0065][0066]
此时，ka为临界耦合系数。当耦合系数k≥ka，将式(4)化为：
[0067][0068]
则通过式(11)可解出：
[0069][0070]
则处于pt对称的wpt系统的传输效率为：
[0071][0072]
其输出功率为：
[0073][0074]vp
为高频逆变器输出电压的基波分量。
[0075]
从式(13)、式(14)可得，当系统处于pt对称状态下，系统的传输效率和输出功率与耦合系数k无关。而从式(13)可以看出，增大接收线圈数n可以提高传输效率。从式(14)可以看出，当接收线圈数n不发生改变时，增大发射线圈数m可以增大传输功率。从式(10)可以看出，当接收线圈数n不发生改变时，增大发射线圈数m可以显著降低临界耦合系数ka。具体地，由式(13)和(14)可以看出，当耦合系数k≥ka时，所提系统的传输功率仅与发射侧线圈的自感、接收线圈的自感、发射线圈圈数m、接收线圈圈数n、输入电压和负载电阻有关，与耦合系数k无关，同时系统的传输效率仅与发射线圈寄生电阻和自感、接收线圈的寄生电阻和自感、以及负载电阻有关。
[0076]
因此对于设计一个基于pt对称的wpt系统时，可选取合理的发射线圈数m和接收线圈数n使得其传输效率和输出功率得到显著提高。但过多的发射线圈数，将提高全桥逆变中的开关管的电流大小。所以在设计基于pt对称wpt系统时，还应考虑开关管的电流应力，以免烧毁开关管。
[0077]
接下来，在simulink仿真软件中对基于pt对称原理的一对一型与三对二型wpt系统进行联合对比仿真，以此验证结论。为得到较小的临界耦合系数ka，这里取负载r
l
＝5ω。自然谐振频率按电动汽车的行业标准取85khz。具体的仿真参数如表1所示，所提出的一对一和三对二wpt系统的各参数仅在发射线圈数m和接收线圈数n有不同。
[0078]
表1系统参数
[0079][0080][0081]
由上述仿真参数，通过matlab可以得到，输出功率、临界耦合系数ka与m、n之间的关系。从图4所示输出功率与发射线圈数m、接收线圈数n的关系图和图5所示临界耦合系数ka与发射线圈数m、接收线圈数n的关系图中可以明显看出，发射线圈数m的提高可以显著增加输出功率，也可以显著降低临界耦合系数ka，这与提出的结论相一致。
[0082]
从图6所示的输出功率对比图和图7所示的传输效率图可以看出，基于pt对称的三对二wpt系统的传输效率和输出功率都要明显优于传统的一对一wpt系统。从输出功率上看，三对二wpt系统的传输功率比一对一wpt高出约75％。从传输效率上看，三对二wpt系统的传输效率比一对一wpt高出约12％，具有良好的传输性能。
[0083]
综上，本发明实施例提供的一种基于pt对称的并联多发射多接收无线电能传输系统，与现有各种基于pt对称的无线电能传输系统不同的是，本系统发射端采用了多个并联的发射子线圈，接收端采用了多个并联的接收子线圈，本系统还给出了在这种电路结构下的参数设计，以及系统保持恒定输出功率、恒定传输效率输出的条件(k≥ka)，还给出了系统传输效率和输出功率的表达式从而根据系统传输效率η的表达式、系统输出功率p的表达式，对系统传输效率η、系统输出功率p
的实际需求，以及高频逆变器中开关管的电流应力，确定发射线圈数m和接收线圈数n，使得该系统保持良好的传输性能。
[0084]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。