一种基于独立式多发射线圈协同工作的无线供能装置

本发明属于无线电能传输，具体涉及一种基于独立式多发射线圈协同工作的无线供能装置。

背景技术：

1、在过去的几年中，电子产品的发展越来越迅速，射频无线能量传输方法应用到了更多的应用领域中，例如汽车和手机充电，植入式医疗电子等，引起了人们广泛的关注。但是随着电子产品的性能的不断提升，对于无线电能传输(wireless power transfer，wpt)系统的输出功率，效率以及鲁棒性等的传输特性要求也不断提高。当下很多wpt系统大多数是电场或者磁场进行耦合，以线圈和电容作为耦合器来传递能量。很多wpt系统可以通过阻抗匹配的方式来提高输出功率和效率。但是当系统的耦合系数发生变化时，其输出功率和效率也会随着变化。为了克服这一缺陷，许多wpt系统在发射端系统处增加了频率跟踪装置，通过改变发射端的工作频率来保持稳定的输出功率和效率。此举会使得发射端系统变得比较臃肿而复杂，不仅增加了成本，还导致实用性以及鲁棒性的下降。

2、多发射wpt系统也不可避免的会出现上述情况，为了解决上述问题,又提出了一种通过增加电纳开关电路和偏移传输线来维持接收设备的高效率和输出功率的方法。此外，还引入了跟踪算法以及电流补偿网络来维持多发射wpt系统恒定的输出功率，或者采用数据驱动网络的方法来尽可能地避免强耦合频率分裂现象带来的弊端。尽管，这些方法能够解决多发射wpt系统在强耦合区域内存在的输出功率和效率下滑问题,但是毫无例外地增加了整个系统电路的复杂程度，使得发射装置变得臃肿和沉重，降低了便利性的同时，增加了工业化生产的难度以及实际应用中的可操作性。

3、近年来，一种基于宇称时间对称(parity time symmetry，pts)的物理理论应用到了wpt上，使得pt-wpt系统能够更为便捷的解决发射线圈和接收线圈位置偏移带来的传输效率大幅下降问题。当wpt系统的电路模型能够满足pt对称的条件时，在pt对称区域内，发射源端的饱和增益率与负载损耗端的损耗率保持相等时，发射装置的工作频率会自适应的调整使其和接收端系统保持一致。也就是说，当系统工作在pt对称区域内，即使线圈的耦合系数发生了变化，接收装置的能量仍然能够与发射装置的能量保持一致，即接收装置的输出功率和效率能够保持不变，从而实现高功率传输效率。目前，基于pt对称原理的多发射的pt-wpt系统采用的是有线连接的方式将多个发射线圈以串联或者并联的方式连接起来.或者是采用中继形式结构，将多个中继线圈通过有线的方式等效合并成一个中继线圈，通过调节对应中继线圈的谐振频率来保持接收线圈在横向距离上具有稳定的输出效率和功率。但是，上述结构由于发射线圈或者中继线圈受到有线结构的限制，其空间摆放位置会受到严重限制，大大降低了系统的灵活性。

4、针对目前多发射wpt系统存在的研究瓶颈，我们提出了基于独立式多发射线圈协同工作的无线供能装置。在植入式医疗以及电子产品等负载较大的应用场景，该系统具备稳定的传输效率和输出功率。此外，该多发射pt-wpt系统由于具备多个独立式发射系统，能够根据用户需求或者接收端系统的摆放位置随意对发射端系统进行组合或者拆卸，同时能够进一步提高pt-wpt系统的输出功率，使得发射端线圈的参数设计以及摆放位置更加灵活多变，大大提高了空间利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于独立式多发射线圈协同工作的无线供能装置。

2、本发明提供一种基于独立式多发射线圈协同工作的无线供能装置，该装置包括多个独立的发射装置和一个接收装置；发射装置由负电阻rn、谐振电容cn和发射线圈ln并联构成；接收装置由谐振电容cs、接收线圈ls和负载rl并联而成；n＝1,2,3,···,n；n为发射装置数量。负电阻由自激振荡的非线性电路构成；所有发射装置的负电阻输出的电流或电压保持相位同步。所述的负电阻输出的电流或电压保持相位同步的方法为：调节不同发射线圈之间的互耦系数至大于或等于临界互耦系数；所有发射装置的负电阻输出的电流或电压相位自动完成同步。临界互耦系数通过负电阻振荡源混沌动力学电路行为分析法获得。

3、作为优选，通过负电阻振荡源混沌动力学电路行为分析法获得临界互耦系数的过程为：

4、步骤一、构建负电阻振荡源混沌动力学电路模型如下：

5、

6、其中，kn-1,n为第n-1个发射线圈与第n个发射线圈之间的互耦系数，xn为第n个负电阻的输出电流，zn为第n个负电阻的输出电压；为第n个负电阻输出电流导数，为第n个负电阻输出电压导数；an和βn为中间变量；n＝1,2,3···n。

7、步骤二：将初始参数代入负电阻振荡源混沌动力学电路模型中，绘制多个发射装置负电阻输出的电流差或电压差与互耦系数关系图。

8、步骤三：根据负电阻输出的电流差或电压差与互耦系数关系图，得出电流差或电压差最初稳定为零所对应的互耦系数，该互耦系数便为相位同步时的临界互耦系数。

9、作为优选，构建负电阻振荡源混沌动力学电路模型的过程如下：

10、(1)建立基尔霍夫电路方程组模型如下：

11、

12、其中，cn为第n个发射装置的谐振电容；vn第n个负电阻的输出电压；in为第n个负电阻rn上流过的电流，ipn为第n个发射线圈上流过的电流，ln为第n个发射线圈的电感值，mij为第i个发射线圈和第j个发射线圈之间的互感，i＝1,2,3···n；j＝1,2,3···n，且i≠j设定第n个负电阻上流过的电流in＝anvn+bnvn3；其中，vn为第n个负电阻输出的电压，an和bn为设定的中间变量。

13、(2)采用动力学行为分析法对基尔霍夫电路方程组模型进行参数化简，构建负电阻振荡源混沌动力学电路模型。

14、动力学行为分析法使用的动力学化简模型为：

15、

16、其中，t、τ为中间变量。

17、作为优选，所述的各发射装置的发射线圈处于弱耦合状态，即：

18、k12＝k23…＝kn-1,n＝kn,1<ks

19、其中，kn-1,n为第n-1个发射线圈和第n个发射线圈之间的互耦系数；n＝1,2,3···n；ks＝(k1s2+k2s2+…kns2)-0.5为所提出的系统到达pt对称状态下的所有发射线圈与接收线圈之间的耦合系数总等效值，kns为第n个发射线圈与接收线圈之间产生的耦合系数。

20、作为优选，所述的各发射装置的等效固有频率ωn与接收装置的固有频率ωs一致。

21、作为优选，所述的各发射装置回路的增益γn与接收装置回路的总损耗γl一致。

22、作为优选，该无线供能装置的工作频率ω如下：

23、

24、其中，kns为第n个发射线圈与接收线圈之间产生的耦合系数，ω0为基础频率，其值与发射装置的等效固有频率ωn相等；γ0为基础增益，其值与发射装置回路的增益γn相等。

25、作为优选，所述的无线供能装置的传输效率η的表达式为：

26、

27、其中，rpn为第n个发射线圈的等效内阻，rl为负载，rs为接收线圈的等效内阻；ln为第n个发射线圈的电感值，ls为接收线圈的电感值；vn第n个负电阻的输出电压，vl为负载rl的电压。

28、工作过程中，设定无线供能装置的输出功率po为：

29、

30、作为优选，所述的发射装置的负电阻采用电压型的反馈形式运算放大器、半桥逆变器和全桥逆变器中的一种。

31、作为优选，所述的各发射线圈与接收线圈之间的耦合系数满足以下不等式：

32、

33、本发明具有的有益效果是：

34、1、本发明通过负电阻振荡源混沌动力学电路行为分析法获取负电阻输出电压或电流相位保持同步的临界互耦系数，根据获取的互耦系数和pt对称条件下获得的耦合系数可以快速地寻找各发射装置的摆放位置；使得互不相连的多个发射装置的负电阻输出的电流或电压保持相位同步，避免发射装置相互抵消的情况出现，提高多发射装置下的无线供能装置的临界传输距离与输出功率。

35、2、本发明的每个发射装置都是独立的，可以根据用户需求或者接收装置的摆放位置随意进行组合或者拆卸，极大地提高了无线供能装置的灵活性和空间摆放自由度；同时，本发明可以根据应用场合以及接收装置摆放的位置，对发射装置的数量采用添加或者缩减的方式进行自由组合，更加灵活地调整发射装置线圈的摆放位置，提高空间利用率。

36、3、本发明满足pt对称原理具备频率自适应性，不需要额外增加复杂的频率跟踪电路，无线供能装置可自动调整使发射装置的工作频率与接收装置保持一致，解决了传统的多发射wpt系统由频率分裂问题带来的传输性能损失问题，同时保证系统在pt对称区域范围能够提供稳定的能源，维持传输效率和输出功率的稳定不变。