基于宇称时间对称的四线圈无线能量传输系统

1.本发明属于无线能量传输领域，具体指一种基于宇称时间对称的四线圈无线能量传输系统，用于实现非接触式能量传输。


背景技术：

2.宇称时间对称(parity time symmetry,pts)是描述微观物体运动基本理论的量子力学中的概念，一般来讲，物理中的对称性是指一个系统在特定变换下所呈现的内在不变性，宇称时间对称性即空间反射和时间反演下的不变性。
3.无线能量传输技术(wireless power transfer,wpt)因其无需实体导线传递能量的特性，使其适用于众多复杂恶劣的环境，如地下装置、植入式医疗、水下设备等的电能传输。当前主流的wpt方法有磁谐振电感耦合法、电容耦合法、微波辐射法等，其中的磁谐振电感耦合是目前应用最广泛的一种方式。一般的，wpt系统指的就是磁谐振电感耦合式的无线能量传输。然而，磁谐振电感耦合wpt系统存在着效率传输不稳定的缺点，具体表现为：1)系统传输功率、效率的鲁棒性较差，易受距离及线圈角度变化影响；2)系统在强耦合下会产生频率分裂现象，造成传输功率的下降。基于宇称时间对称的wpt系统拥有很强的鲁棒性，且系统具有频率自适应的特性。pts-wpt的特性使其可以很好地解决传统磁谐振wpt存在的两个问题。
4.wpt系统的传输距离一般与线圈的尺寸呈正相关，即线圈尺寸越大系统的传输距离越远，而某些应用场景需要较远的传输距离以及较小的线圈尺寸，例如移动设备的供电和植入式医疗设备的供电，一般的二线圈wpt系统就无法胜任这种场景下的无线能量传输。
5.研究发现，在发射和接收线圈之间加入中继的谐振线圈可以有效的增加wpt系统发射端到接收端的传输距离，这个方法同样适用于pts-wpt系统。现有的基于三个共振线圈(其中一个为中继线圈)的pts-wpt系统可以很好地拓宽从源到负载之间的传输距离，但单中继线圈的三线圈pts-wpt系统工作在对称区的前提是发射线圈和中继线圈之间的耦合与中继线圈和发射线圈之间的耦合相等，这对中继线圈的物理位置有了很高的要求。不同于单中继线圈的三线圈pts-wpt系统，基于宇称时间对称的四线圈无线电能传输系统中继线圈摆放位置更加灵活，并且可以根据不同的应用场景采用不同的线圈尺寸和摆放形式。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决中继线圈位置摆放位置固定的问题，提供一种基于宇称时间对称的四线圈无线能量传输系统。
7.本发明为一种基于宇称时间对称的四线圈无线能量传输系统，包括发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈；所述的发射线圈包含一个负电阻结构，一个lc谐振电路；所述的第一和第二中继线圈只包含lc谐振电路；所述的接收线圈包含一个负载，一个lc谐振电路。
8.作为优选，所述负电阻结构包括功率放大器、电阻r、反馈电阻r
f1
、反馈电阻r
f2
，所
述电阻r同功率放大器反向输入端以及输出端相连；所述反馈电阻r
f1
同功率放大器同向输入端以及输出端相连；所述反馈电阻r
f2
同功率放大器同向输入端以及参考地相连。
9.其中，功率放大器反向输入端与lc谐振电路的一端相连接，lc谐振电路的另一端与参考地相连。
10.接收线圈中的lc谐振电路两端并联负载电阻r3。
11.作为优选，所述的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈的自谐振频率相同。
12.作为优选，所述的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈为pcb线圈、平面线圈、螺旋线圈中任意一种形式。
13.作为优选，所述的发射线圈和接收线圈参数相同，所述的第一中继线圈、第二中继线圈的参数相同。
14.上述技术方案中，参数指的线圈电感值和线圈上外加的谐振电容值。
15.具体的指的是，所述参数相同指的是发射线圈和接收线圈上的线圈电感值和线圈上外加的谐振电容值相同，第一中继线圈、第二中继线圈上的线圈电感值和线圈上外加的谐振电容值相同。
16.作为优选，所述接收线圈、发射线圈中lc谐振电路的电感值相同，且与第一中继线圈、第二中继线圈中lc谐振电路的电感值大小差距在两个数量级以内。
17.需要说明的是，两个数量级即在100倍以内。
18.作为优选，所述的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈相互平行且轴心线重合。
19.作为优选，所述第一中继线圈、第二中继线圈位于同一平面，所述发射线圈与接收线圈呈对称结构位于第一中继线圈、第二中继线圈所在平面的两侧，且发射线圈与接收线圈的轴心线重合。
20.作为优选，所述发射线圈与第一中继线圈、第二中继线圈的耦合率平方之和等于接收线圈与第一中继线圈、第二中继线圈的耦合率平方之和。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明基于宇称时间对称的四线圈无线电能传输系统相较于传统的wpt系统无需复杂的频率跟踪装置即可避免强耦合下的频率分裂现象；
23.2、本发明相对于现有的单中继线圈的三线圈pts-wpt系统，中继线圈摆放的位置更加灵活；
24.3、本发明相对于现有的pts-wpt系统pt对称的临界点要求的耦合强度更小，更易于实现pt对称。
附图说明
25.图1为本发明的电路原理图。
26.图2是负电阻结构的等效示意图。
27.图3是本发明等效果后的电路原理图。
28.图4是本发明的线圈结构一立体示意图。
29.图5是本发明的线圈结构二立体示意图。
30.图6是线圈结构一发射端和接收端的电压的仿真波形图。
31.图7是线圈结构二发射端和接收端的电压的仿真波形图。
32.图8是三种线圈结构接收端和发射端电压之比随耦合系数变化关系图。
具体实施方式
33.为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.本发明基于宇称时间对称的四线圈无线电能传输系统，如图1所示，由发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈、接收线圈组成。所述的发射线圈包括一个功率放大器组成的负电阻结构，谐振电容c0和电感线圈l0；第一中继线圈和第二中继线圈由谐振电容ci和电感线圈li(i＝1,2)组成；接收线圈由谐振电容c3和电感线圈l3以及负载r3组成。
36.进一步的，所述的负电阻结构由一个反向放大电路组成，电路组成包括电阻r、反馈电阻r
f1
、反馈电阻r
f2
。电阻r同放大器反向输入端以及输出端相连；反馈电阻r
f1
同放大器同向输入端以及输出端相连；反馈电阻r
f2
同放大器同向输入端以及参考地相连。
37.参见图2所示的负电阻的等效关系图，所述的负电阻模块等效为一个负电阻－r0；负电阻数值上同接收端负载电阻相等；应用中，基于pts-wpt系统的自适应特性结合放大电路自激振荡条件，放大器电路的电阻取值应满足：等效负电阻值：
[0038][0039]
参见图3所示，基于宇称时间对称的四线圈无线电能传输系统中，由负电阻－r0将直流电源输入的直流信号转换为交流信号；能量通过磁场耦合经由电感线圈l0发射至两个中继线圈的电感线圈li，中继线圈再通过与接收线圈之间的耦合传输至接收线圈。
[0040]
所述的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈的自谐振频率相同。
[0041]
需要说明的，所述的发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈以及接收线圈为pcb线圈、平面线圈、螺旋线圈，但不限于上述类型。
[0042]
本实施例中，将发射线圈设为线圈0，中继线圈设为线圈1、2，接收线圈设为线圈3，电路的耦合模方程为：
[0043][0044]
上式中的am和an为回路的能量模值，其中m,n＝0,1,2,3；ωm＝(l
mcm
)-1
代表当前回路的自谐振频率，ω0＝ω1＝ω2＝ω3；γm＝1/c
mrm
代表回路的损耗率；g代表回路的增益率；δm当m＝0时为1，其它时候为0；κ
mn
＝1/2k
mn
ω0代表m、n两个回路之间的耦合率，k
mn
为m、n两个回路之间的耦合系数，sm代表入射波。
[0045]
令g0＝g
–
γ0，结合前述条件：γ1＝γ2＝0，得：
[0046][0047][0048]
对系统做pt变换，得：
[0049][0050]
当g0＝γ3时，h＝h'，即系统经过pt变换后保持不变，即系统为pt对称系统。
[0051]
系统满足pt对称的耦合率条件为：
[0052][0053]
系统满足pt对称的负载条件为：
[0054][0055]
参见图4所示，为根据pt对称的耦合率条件的系统的线圈结构一的三维示意图：发射线圈和接收线圈尺寸较小时，所有线圈的圆心都在同一直线上，发射线圈同第一中继线圈的距离相等，接收线圈同第二中继线圈的距离相等，四个线圈平行关系。
[0056]
实施例2
[0057]
本实施例与实施例1的区别在于，参见图5所示，为根据pt对称的耦合率条件的系统的线圈结构二的三维示意图：两个接收线圈在同一平面上，两者都与发射线圈和接收线圈互相平行；发射线圈和接收线圈相互圆心连线与两个中继线圈连线交点为两条线圈的中点。
[0058]
本实施例的与实施例1的其他特征相同，因此，本实施例中不进行具体的撰述。
[0059]
应用实施例1进行仿真：
[0060]
参见图6所示，在所述的条件下，结构一处于pt对称区域时发射线圈和接收线圈上的电压波形图。
[0061]
应用实施例2进行仿真：
[0062]
参见图7所示，在所述的条件下，结构二处于pt对称区域时发射线圈和接收线圈上的电压波形图。
[0063]
对比实施例1和实施例2，参见图8所示，在所述的条件下，本发明线圈之间的耦合系数在一定的区间内，系统可以维持一个很高的传输效率，效率以发射端电压与接收端电压峰峰值比值呈现。其中，结构一固定发射线圈到接收线圈1之间的耦合系数等于接收线圈到第二中继线圈之间的耦合系数，改变中继线圈之间的耦合系数的仿真结果；结构二取发
射线圈到两个中继线圈的耦合系数等于接收线圈到两个中继线圈之间的耦合系数，改变四个耦合系数的仿真结果。