一种并联-并联型多线圈宇称时间对称无线电能传输系统

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种并联-并联型多线圈宇称时间对称无线电能传输系统。

背景技术：

1、无线电能传输(wireless power transfer，wpt)技术作为一种新型电能传输方式，一直是各国学者的研究热点，在许多场合展现出了良好的应用前景，如便携式移动设备、汽车、医疗人体植入器件、矿井开发等。

2、2007年麻省理工学院mit团队利用磁谐振耦合无线电能传输技术，隔空点亮了2m远、60w的电灯泡，再次激发了人们对wpt技术研究的热潮。目前，由于发射线圈与接收线圈相对位置发生偏移，导致耦合系数发生变化，系统的传输效率就会急剧下降，然而恒定的耦合系数的条件对于某些场合是不切实际的，如电动汽车和植入式医疗的充电过程。因此大多数研究采用dc-dc变换器、频率调谐[9]和阻抗匹配等方法来提高无线充电系统的抗偏移性，然而这些方法存在成本高、效率低、控制复杂等缺点。值得注意的是，2017年assawaworrarit团队首次将宇称时间(parity-time，pt)原理应用于wpt系统中，使用运算放大器构建非线性饱和增益-负电阻，实现了当耦合系数在一定范围内变化时，其传输效率和输出功率保持不变的特性，且无需任何通讯和额外的附加电路，极大地降低了抗偏移系统的成本和控制复杂程度，但该系统采用运算放大器来构建非线性饱和增益(负电阻)，导致传输功率非常小，约为19.7mw。有文献提出了一种新的非线性宇称时间(pt)对称模型，采用自激振荡控制逆变器来构建非线性饱和增益，并基于耦合模态理论，分析了基于非线性pt的wpt系统的传递性能和稳定性。此外，基于增益饱和机制，逆变器的控制策略仅需要检测发射器中的电流，并实现了近10w的输出功率，传输效率约为93.6％。

3、有文献在基于pt对称的wpt系统下，引入了中继线圈，建立了相应的耦合模型和电路稳态模型，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。有文献提出了基于pt对称原理多个解耦接收线圈的wpt系统，与单接收线圈相比可以提高传输效率和降低系统的电流应力。实验结果表明，在100–200mm气隙范围内，功率传输保持稳定，传输效率恒定为96.1％。特别地，在240mm的水平公差内的100mm气隙处实现相同的传输效率，而在200mm气隙处的水平公差为100mm。但同侧线圈均要做解耦处理，增加了此系统的设计难度。有文献提出了基于pt对称的一种新型双耦合wpt系统，其中利用电耦合机制和磁耦合机制来提高传输效率。分析结果表明，在连续pt对称状态下，与单耦合系统相比，所提出的系统可以在更长的距离内保持恒定的性能；在破碎pt对称状态下，所提出的系统具有更高的传输效率。然而pt对称范围有限，需要加宽pt对称区域以延长恒定和有效传输的距离。因此有文献提出了一种新的基于pt对称的wpt系统，该系统在接收电路上增加线圈电感。其理论表明该系统的临界耦合系数小于原始pt对称系统。其次，还提出了增加发射线圈电感的方法来提高系统的效率。有文献将pt对称性概念推广到具有duffing共振器的wpt系统，通过考虑非线性谐振特性并引入复变量，得出了具有duffing谐振器的wpt系统的耦合模型。得出了与具有线性lc谐振器的基于pt对称的wpt系统相比，具有pt对称duffing谐振器的wpt具有距离和谐振失谐不敏感性的组合特征。

4、上述这些文献，大多采用增加中继线圈、增加线圈电感以及采用可变电容等方法来延长pt对称区域的距离，但未研究多发射线圈和多接收线圈对并联(pp，parallel-parallel)补偿网络pt-wpt系统pt对称区域的影响。

技术实现思路

1、本发明提供一种并联-并联型多线圈宇称时间对称无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何设计一种多发射线圈和多接收线圈且采用并联补偿网络的宇称时间对称无线电能传输系统。

2、为解决以上技术问题，本发明提供一种并联-并联型多线圈宇称时间对称无线电能传输系统，其关键在于，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括顺序连接的直流电源、电流型全桥逆变器、并联的n≥1个原边发射回路，每个所述原边发射回路包括并联的原边谐振电容和发射线圈；所述副边侧包括负载电阻rl以及与所述负载电阻rl的m≥1个副边接收回路，n+m＞2，每个所述副边接收回路包括并联的副边谐振电容和接收线圈。

3、优选的，任意一个所述发射线圈与任意一个所述接收线圈之间的耦合系数相等均为k，n个所述发射线圈的规格参数一致均为lp且相互解耦，m个所述接收线圈的规格参数一致均为ls且相互解耦，n个所述原边谐振电容的规格参数一致均为cp，m个所述副边谐振电容的规格参数一致均为cs。

4、优选的，所述原边侧的固有谐振频率wp与所述副边侧的固有谐振频率ws均等于w0。

5、优选的，系统的工作角频率w满足：

6、

7、其中，参数γ定义为r2为所述副边侧的电路固有损耗，为任意一个所述发射线圈lp与任意一个所述接收线圈ls之间的耦合系数，m是这两个线圈之间的互感。

8、优选的，k≥ka，ka为临界耦合系数，ka满足：

9、

10、优选的，通过如下步骤确定m、n：

11、a1、根据实际需要确定输出功率po、传输效率η、无线传输距离；

12、a2、将po、η代入中，获得用于求解m、n的二元一次方程组；

13、a3、对所述二元一次方程组进行求解，并判断得到的m、n是否均为整数，若否则对不是整数的m与/或n进行取整，若是则直接将求解得到的m、n作为确定的m、n；

14、a4、根据确定的m、n，计算临界耦合系数ka，计算k并判断k≥ka是否成立，若是则无需调整m、n值，若否则调整m与/或n直至k≥ka成立。

15、优选的，在所述步骤a3中，对不是整数的m与/或n进行取整具体为：当仅需要对n或m取整时，则对小数点后1位进行四舍五入取整，当需要同时对m、n进行取整时，则对n进行向下取整，对m进行向上取整。

16、优选的，在步骤a4中，调整m与/或n直至k≥ka成立，具体包括步骤：

17、a41、n不变，m值加1，计算ka，若此时k≥ka仍不成立，则n不变，m值再加1，再计算ka，若此时k≥ka仍不成立则进入下一步；

18、a42、m不变，n值加1，计算ka，若此时k≥ka仍不成立，则返回步骤a41。

19、优选的，所述原边侧还包括电压传感器、过零比较器和驱动器，所述电压传感器用于获取所述电流型全桥逆变器的输出电压输入所述过零比较器，所述过零比较器用于获取对应的过零信号并反馈至所述驱动器，所述驱动器用于产生相应的驱动信号作用于所述电流型全桥逆变器。

20、本发明提供的一种并联-并联型多线圈宇称时间对称无线电能传输系统，其原边侧采用了与电流型全桥逆变器并联的n≥1个原边发射回路，每个原边发射回路包括并联的原边谐振电容和发射线圈(并联补偿，pp)，副边侧采用了与负载电阻rl并联的m≥1个副边接收回路，每个副边接收回路包括并联的副边谐振电容和接收线圈(并联补偿，pp)，并给出了工作频率、临界耦合系数、输出功率以及传输效率的表达式，以及根据这些表达式设计发射线圈数和接收线圈数(即m、n)，使得系统的无线传输距离、输出功率和传输效率都能满足实际需求。